基于TLC2652的高精度放大器电路及应用
基于tlc2652的高精度放大器电路及应用
在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏级的电信号。这时，普通的运算放大器已无法使用了，因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。固然输入失调电压可以被调零，但其漂移则是难以消除的。德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放大问题的廉价方案。
tlc2652和tlc2652a是德州仪器公司使用先进的lincmos工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方式使tlc2652具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小，tlc2652非常适合用于微信号的放大。
二、tlc2652的内部结构
图一、tlc2652的功能框图
下面对tlc2652的内部功能单元作一简单介绍：
1、 主放大器。它与一般的运算放大器不同之处在于，它有三个输入端。除引出芯片外部的同相和反相输入端外，其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。
2、 校零放大器。它也有三个输入端，但与主放大器相反，在芯片内部的输入端是反相输入端。
3、 时钟和开关电路。内部时钟产生时钟信号，控制各开关按一定的时序闭合与断开。在14和20引脚的芯片中时钟信号还可从外部引入。
4、 补偿网络。它使电路在较宽的频带内有平坦的响应。在tlc2652中，电路的高频响应主要由主放大器决定。
5、 箝位电路（clamp）。它实际上是一个当输出与电源电压相差接近1v时动作的开关，把clamp与运放的反相输入端短接，则其引入的深度负反馈可使电路在过载时的增益大大下降以防止饱和。它可以加速电路在过载后的恢复。
三、斩波稳零的工作原理
图二、tlc2652的简化框图
tlc2652芯片上的控制逻辑产生两个主要的时钟周期：校零周期和放大周期。主放大器一直与电路的输入端和输出端相连，而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零。
在校零周期内，开关a闭合，使校零放大器的两个输入端短路，通过自身的反馈，校零放大器的失调电压被减到最小。同时，外接记忆电容cxa 中储存了这一失调电压，使校零放大器在放大周期内仍保持校零。
在放大周期内，开关b闭合，把校零放大器的输出与主放大器的同相输入端连接起来，使主放大器被校零。同时，外接记忆电容cxb 中储存了校零电压，使主放大器在下一个校零周期内仍保持校零。
在tlc2652中，内部时钟使放大器以450hz的频率校零。在这种连续校零的机制下，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小。由于低频信号经过两个放大器放大，电路可以获得极高的增益，这在需要精密高增益放大的电路中是十分有用的。由于使用了lincmos工艺和低噪声的mosfet，输入噪声被大大减小。
四、tlc2652的主要技术性能
1、 极低的输入失调电压：0.5μv（典型值），1μv（最大值）；
2、 极低的失调电压漂移：0.003μv/ oc（典型值），失调电压长期漂移为0.003μv/月；
3、 低输入偏置电流：4pa（典型值），60pa（最大值）；
4、 低输入失调电流：2pa（典型值
），60pa（最大值），500pa（t = - 55 oc 至125 oc最大值）；
5、 开环电压增益：135db（最小值），150db（典型值）；
6、 共模抑制比：120db（最小值），140db（典型值）；
7、 电源抑制比：110db（最小值），135db（典型值）；
8、 电源电流：1.5ma；
9、 带宽增益积：1.9mhz；
10、输入噪声：94 nv/√hz@ f=10hz，23 nv/√hz@ f=1khz；
11、摆动速率：2.8v/μs（sr+），3.1 v/μs（sr-）；
12、电源电压：16v（vdd+-vdd-）（最大值）；
13、输出电流：±50ma。
下面是tlc2652的管脚排列和封装信息。
图三、tlc2652的封装形式
表一、德州仪器公司提供的tlc2652封装
五、tlc2652的实用电路
下图是tlc2652的典型电路（反相放大器）。
图四、tlc2652（dip-8）的典型电路（图中clamp已使用）
在元件的选择中需要特别注意的是，电路中的两个记忆电容cxa和cxb必须使用绝缘电阻很高的优质电容器。例如，聚酯薄膜电容器、聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器等可以作为记忆电容器，容量可以从0.1μf至1μf中选择，电容的一端接到cxa或cxb引脚，另一端接至vdd-或c return引脚。在一些斩波稳零运算放大器中把记忆电容接至vdd-引脚会增加噪声，而tlc2652则没有这种问题。
tlc2652的内部时钟使斩波器工作在450hz的频率上。在8引脚封装的芯片中，这个频率是不可调的。但在14引脚封装的芯片中，斩波频率可以通过int/ext和clk in引脚进行调节。当这两个引脚悬空时，电路使用内部的450hz时钟；使用外部时钟时，可把int/ext引脚对vdd-短路，同时从clk in引脚输入时钟信号，幅度为2.5v（相对于vdd-），并且不能超过vdd-至vdd-+5v这个范围。在单电源工作时，tlc2652的时钟可以直接用5vttl和cmos信号驱动。
从理论上讲，为了尽量展宽电路的频带，斩波频率fc应越高越好,但fc的提高又会造成严重的尖峰效应，是斩波器漂移增大，所以通常有fc≤10khz。这就是导致斩波稳零运算放大器频带窄的原因。如果需要更低的噪声和更宽的频带，可以使用德州仪器公司的另一款lincmos斩波稳零运算放大器tlc2654/tlc2654a,此款运放的斩波频率高达10khz。
tlc2652的过载恢复时间是比较短的（30ms左右），如要进一步减小恢复时间，可以使用电路的clamp引脚。这时，电路中的负反馈电阻要选大些，以使箝位发挥作用时电路的增益下降得更多。当然，使用clamp后，电路的输出幅度会略有减小。
与其他cmos器件一样，tlc2652也存在寄生可控硅效应，使用时可在正负电源串接一只200-510ω的限流电阻，同时保证不使电路的输入与输出电压超出电源电压300mv。
tlc2652是高精度放大器，往往在输入电压为微伏量级的情况下高增益工作。要保证放大器的精度，一是负反馈电阻必须有足够的精度，且电路的闭环增益不能太大；二是必须提高印制板的质量，防止印板表面的漏电流。为此，可在印制板上设置保护环，尤其是14引脚和20引脚的芯片，可以充分利用输入端周围的空脚，构造保护环（图五、图六）。
图五、使用保护环的反相放大器 图六、印板上的保护环布置
tlc2652在作直流微信号放大时，为了进一步减小交流干扰，可以在输出端加接一个低通滤波器（见图七），以滤除输出电压中的交流分量，使输出电平更加稳定。图七的电路可用于直流缓变信号的放大，如热电偶放大器等。
图七、带保护环的1000倍高输入阻抗直流前置放大器
六、总结
在上文中我们介绍了tlc2652的原理和性能，并由此引出了一些可以用于微信号放大的实用电路，它们可用于工业自动控制和仪器仪表的高精度放大器。我们把电路用于物理实验室中的高灵敏电流计保护电路，并改造了实验室的热电偶放大器，取得了良好的效果。由于电路简单，易于调试，且具有很高的性能价格比，它在生产中有较为广阔的应用前景。
参考文献：
1、 tlc2652, tlc2652a, tlc2652y advanced lincmostm precision chopper-stabilized operational amplifiers，2001，texas instruments.
2、 集成运算放大器基本原理与应用，1992，钱国飞编，上海交通大学出版社。
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tlc2652和tlc2652a是德州仪器公司使用先进的lincmos工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方式使tlc2652具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小，tlc2652非常适合用于微信号的放大。
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图一、tlc2652的功能框图
下面对tlc2652的内部功能单元作一简单介绍：
1、 主放大器。它与一般的运算放大器不同之处在于，它有三个输入端。除引出芯片外部的同相和反相输入端外，其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。
2、 校零放大器。它也有三个输入端，但与主放大器相反，在芯片内部的输入端是反相输入端。
3、 时钟和开关电路。内部时钟产生时钟信号，控制各开关按一定的时序闭合与断开。在14和20引脚的芯片中时钟信号还可从外部引入。
4、 补偿网络。它使电路在较宽的频带内有平坦的响应。在tlc2652中，电路的高频响应主要由主放大器决定。
5、 箝位电路（clamp）。它实际上是一个当输出与电源电压相差接近1v时动作的开关，把clamp与运放的反相输入端短接，则其引入的深度负反馈可使电路在过载时的增益大大下降以防止饱和。它可以加速电路在过载后的恢复。
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tlc2652芯片上的控制逻辑产生两个主要的时钟周期：校零周期和放大周期。主放大器一直与电路的输入端和输出端相连，而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零。
在校零周期内，开关a闭合，使校零放大器的两个输入端短路，通过自身的反馈，校零放大器的失调电压被减到最小。同时，外接记忆电容cxa 中储存了这一失调电压，使校零放大器在放大周期内仍保持校零。
在放大周期内，开关b闭合，把校零放大器的输出与主放大器的同相输入端连接起来，使主放大器被校零。同时，外接记忆电容cxb 中储存了校零电压，使主放大器在下一个校零周期内仍保持校零。
在tlc2652中，内部时钟使放大器以450hz的频率校零。在这种连续校零的机制下，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小。由于低频信号经过两个放大器放大，电路可以获得极高的增益，这在需要精密高增益放大的电路中是十分有用的。由于使用了lincmos工艺和低噪声的mosfet，输入噪声被大大减小。
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1、 极低的输入失调电压：0.5μv（典型值），1μv（最大值）；
2、 极低的失调电压漂移：0.003μv/ oc（典型值），失调电压长期漂移为0.003μv/月；
3、 低输入偏置电流：4pa（典型值），60pa（最大值）；
4、 低输入失调电流：2pa（典型值
），60pa（最大值），500pa（t = - 55 oc 至125 oc最大值）；
5、 开环电压增益：135db（最小值），150db（典型值）；
6、 共模抑制比：120db（最小值），140db（典型值）；
7、 电源抑制比：110db（最小值），135db（典型值）；
8、 电源电流：1.5ma；
9、 带宽增益积：1.9mhz；
10、输入噪声：94 nv/√hz@ f=10hz，23 nv/√hz@ f=1khz；
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在元件的选择中需要特别注意的是，电路中的两个记忆电容cxa和cxb必须使用绝缘电阻很高的优质电容器。例如，聚酯薄膜电容器、聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器等可以作为记忆电容器，容量可以从0.1μf至1μf中选择，电容的一端接到cxa或cxb引脚，另一端接至vdd-或c return引脚。在一些斩波稳零运算放大器中把记忆电容接至vdd-引脚会增加噪声，而tlc2652则没有这种问题。
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从理论上讲，为了尽量展宽电路的频带，斩波频率fc应越高越好,但fc的提高又会造成严重的尖峰效应，是斩波器漂移增大，所以通常有fc≤10khz。这就是导致斩波稳零运算放大器频带窄的原因。如果需要更低的噪声和更宽的频带，可以使用德州仪器公司的另一款lincmos斩波稳零运算放大器tlc2654/tlc2654a,此款运放的斩波频率高达10khz。
tlc2652的过载恢复时间是比较短的（30ms左右），如要进一步减小恢复时间，可以使用电路的clamp引脚。这时，电路中的负反馈电阻要选大些，以使箝位发挥作用时电路的增益下降得更多。当然，使用clamp后，电路的输出幅度会略有减小。
与其他cmos器件一样，tlc2652也存在寄生可控硅效应，使用时可在正负电源串接一只200-510ω的限流电阻，同时保证不使电路的输入与输出电压超出电源电压300mv。
tlc2652是高精度放大器，往往在输入电压为微伏量级的情况下高增益工作。要保证放大器的精度，一是负反馈电阻必须有足够的精度，且电路的闭环增益不能太大；二是必须提高印制板的质量，防止印板表面的漏电流。为此，可在印制板上设置保护环，尤其是14引脚和20引脚的芯片，可以充分利用输入端周围的空脚，构造保护环（图五、图六）。
图五、使用保护环的反相放大器 图六、印板上的保护环布置
tlc2652在作直流微信号放大时，为了进一步减小交流干扰，可以在输出端加接一个低通滤波器（见图七），以滤除输出电压中的交流分量，使输出电平更加稳定。图七的电路可用于直流缓变信号的放大，如热电偶放大器等。
图七、带保护环的1000倍高输入阻抗直流前置放大器
六、总结
在上文中我们介绍了tlc2652的原理和性能，并由此引出了一些可以用于微信号放大的实用电路，它们可用于工业自动控制和仪器仪表的高精度放大器。我们把电路用于物理实验室中的高灵敏电流计保护电路，并改造了实验室的热电偶放大器，取得了良好的效果。由于电路简单，易于调试，且具有很高的性能价格比，它在生产中有较为广阔的应用前景。
参考文献：
1、 tlc2652, tlc2652a, tlc2652y advanced lincmostm precision chopper-stabilized operational amplifiers，2001，texas instruments.
2、 集成运算放大器基本原理与应用，1992，钱国飞编，上海交通大学出版社。
元宇宙的概念与应用
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中科曙光解读“数据中国智能计划” “大计算”全面发力创建AI城市，构造科学大脑
光谱共焦传感器的外部触发及扫描如何实现
基于TLC2652的高精度放大器电路及应用
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为什么要实现无人驾驶落地，告诉你三个理由！
Altera支持硅片融合实现的混合系统架构
为什么笔记本接口越做越少
每个端到端机器学习平台应提供哪些功能呢？
NVIDIA NGC新功能助于简化和加速端到端工作流
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