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高精度、高稳定度极微弱信号放大器的设计

1、摘要
当代，由于各类传感器输出的信号多为微弱的电压信号，而测量仪器需要将这些微弱的
电压信号经放大器放大后接入A/D转换器供计算机处理。因此该仪器中微弱信号放大器的
精度、稳定度的高低直接关系到仪器性能的好坏。而笔者所设计的电路是对极微弱的交流电
压进行放大，系统要求将0—50µV的极微弱交流信号放大到0—2.5V，供24位A/D转换
器使用。因此对该放大电路的稳定性、线形等指标要求很高。在所设计的放大电路中，采用
了INA118高精度、低噪声仪表放大器，在电路的各个功能模块中，分别采用了虚地、分级
滤波等各种去除噪声的措施。使电路的各项性能指标都达到要求。

关键词：微弱信号，仪表放大器，分级滤波。
2、放大电路设计
图1为一般集成运算放大器构成的具有抑制共模干扰的典型电路。由于该电路采用

+12V
AD797
输入+GND

+
-
GND

-12V
-12VAD797
GND

-
+
GND

-12V+12V
AD797
GND
-

输入-
+
GND
GND
+12V
图1放大电路
分立元件构成，噪声进入系统的渠道很多，对系统的精度影响较大，对一般放大器来讲是可
以满足要求的，但对输入为微伏级的微弱信号来说，噪声已完全淹没了信号，在输出端无法
鉴别出来。由于电源与信号共地，共地串入的干扰对系统的精度也有较大的影响。
实验证明，该系统无法对微弱信号进行有效的抑制噪声，而且噪声的源头较多，输入电

压—内，放大器的放大倍数线性较差（）。达不到高精度、高稳定度测
050µV∆AV=5%

量极微弱信号的要求。
仪表放大器经过快速的发展，现已出现了很多型号的集成仪表放大器，如AD625、
AD620、AD624、AD522等。也出现了一些高精度，高稳定度的集成仪表放大器，如INA118、
INA112、INA2118等。该电路采用的INA118集成仪表放大器，它是一种精密、低功耗集成
仪表放大器，其主要参数为：供电电压范围：1.35V—±18V；增益范围为：1—1000；最大

增益误差(G=1000,250C)：0.5%；共模抑制比为：110dB；失调电压漂移：±0.5uV/0C；

噪声为：9nVHz。实际电路如图2。

基金资助项目：中国石油天然气集团公司中青年创新基金。项目编号：05E7039
RG

V+
R10
18+5V
输入-C3C4
2R1R2+5V
7VR4R5
361B+GND4
VC1C2+5V
输入+0BV
4+R9C5C60
5V0A38输出
R15R16-
-V35
-P+
-V
+0C26输出+
V−R7R8GNDR3R4GND-
R11
+5VGND
R17R18137GND

GND

图2放大电路图
对于放大器而言，特别是微弱输入信号和高增益的放大器，在输入端的任何微小的干扰
信号都可能导致工作异常，因此采用放大器的虚地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放

大器的电磁兼容能力。将输入信号定为V=40µV、f=3Hz，其各阶段波形经过计算机处

理。信号首先经过仪表放大器INA118的放大。
（I）前置放大电路
主要由仪表放大器INA118构成。图3是INA118的内部结构图，该仪表放大器的放大倍数
由决定。
RG

RG

V+
18
输入-27
输出
36
输入+45

V−
图3INA118放大电路图
由于我们需要放大的是极其微弱的电压信号，噪声的幅度远远大于信号的幅度，如果将
INA118的倍数调的过大，就会导致后续放大电路的饱和，设计的仪表放大器放大倍数为
50kΩ
AV1=1+=6倍
RG

2
1.5
1
0.5

mV0
-0.50100200300400500
-1
-1.5
-2
次

图4INA118的输出信号
由于噪声与信号同时放大，不利于后续放大电路的工作，所以，信号经仪表放大器放大后
需要进行滤波，而普通的一阶高通、低通滤波电路，由于滤波陡度较为平缓，滤波效果较差，
不能有效地达到我们的要求，在本系统中采用二阶压控高通、低通滤波电路。有效地滤出了
噪声。
（II）二阶压控低通、高通电路

基金资助项目：中国石油天然气集团公司中青年创新基金。项目编号：05E7039
其二阶低通滤波电路如图5。

+5V

C3C4
VR4R5
1B+
V0B
-

R7R8GND

图5二阶低通滤波电路
其传递函数为：
VA
=0B=VF1
A(s)2
V1B1+(3−AVF1)sC3R4+(sC3R4)

R
其中：4
AVF1=1+=2
R3

1
低通滤波截至频率为：
fL==15.3Hz
2πR4C3

R1R2+5V

VC1C2
1A+
V0A
-

R3R4GND