4.双端输入的直流线性放大器的设计及其测试方法

在科研、生产工作中，被广泛使用的各类光电倍增管做光学传感器的高端HHLC仪器中，大多采用双端输入的直流放大器。因为光电倍增管的输出信号很微弱，因此要求放大器具有高输入阻抗、低噪声、低漂移的特性。作者在研发HPLC的荧光检测器时，需要用光电倍增管检测10^-11 lx的微弱光信号(约为10^-10 A的光电流)，因此，从仪器学角度出发，研制了一种简单实用的直流双端输入的差动线性放大器。它具有低噪声、低漂移、高输入阻抗、良好的线性和对称性。成本低、结构简单、制作方便等优点。经过长期使用，证明该放大器稳定可靠，有非常好的实用价值。其电路如图3-24所示。

该电路是根据李昌厚的仪器学理论中的“仪用电子学”的理论设计的。即

(R_f/R_il)×(V_in2-V_inl)

式中：R_f是反馈电阻；R_i1，是输入电阻；V_in2是电路的正相端的输入电压；V_in1是电路的反相端的输入电压。

该电路的工作原理是：通过110k电阻加在7F-2同相端和反相端的信号V_inl和V_in2若相等，则在事先调零的情况下，放大器的输出为零。若V_in1和V_in2不相等，则放大器对V_in1和V_in2做减法运算，输出电压为(R_f/R_i1)×(V_in2-V_in1)；若式中的V_inl=V_in2，则放大器的输出V_o=0。

图3-24 作者研制的双端输入的线性放大器

该电路的结构组成非常简单，分为±12V放大器工作电源、主放大器、调0电路、过载指示电路等四部分。±12V放大器工作电源采用WB715HB制作，主放大器采用高输入阻抗(10¹¹Ω)、低噪声(失调电压＜0.1mV左右)、低漂移的FET差分输入的运算放大器7F-2制作，调零电路采用FET、稳压管和多圈精密绕线电位器及精密金属膜电阻等元器件制作。经过仔细调整，调零电路可以输出一组正、负稳定的调零电压，其电压调整率可优于10^-4以上。过载指示电路采用5G23等元器件制作。其工作原理是当7F-2输出电压≤4.3V时，5G23的同相端电位≤2V。此时，因为其反相端电位为＋2V，所以处在开环工作状态的5G23输出一个较大的负电位，使3DG6截止，过载指示报警器(蜂鸣器)不响。当7F-2输出电压＞4.3V时，则5G23输出一个较大的正电位使3DG6导通，此时，过载指示报替器发出过载响声报警。

该放大器的主要性能技术指标为：

输入阻抗：>100kΩ

放大倍数：≈8倍(闭环)

最大输出电压：±5V

等效输入噪声：6.5uV(达到国外同类仪器的4.5uV的先进水平)

漂移及测试方法：0.075mV(开机预热10分钟，连续工作1小时，输出的最大值与最小值之差)

线性范围及测试方法：将同相输入端接地，反相输入端依次加入0.1mV到0.6V的信号电压Vs，用数字电压表测A输出端的输出电压Vo，结果见表3-6；同理，将反相输入端接地，在同相输入端依次加入0.1 mV到0.6V的信号电压Vs，用数字电压表测量输出端的输出电压V_o，结果见表3-7。

表3-6 线性范围测试结果

表3-7 线性范围测试结果

据表3-6、表3-7作Vs-Vo曲线如图3-25所示。

由V_s-V_o曲线可知，该放大器的同相端和反相端的输出线性都很好，并且输出的线性范围很宽，均接近10⁴。
该放大器的同相端和反相端的放大倍数的对称性：

由表3-6和表3-7，可作V_s-K(或G，即放大倍数)曲线如图3-26所示。

图3-25 双端输入的线性

放大器V_s-V_o曲线

图3-26 双端输入的直流线性

放大器V_s-K曲线

由V_s-K曲线可知，当差模电压V_s在0.1mV至0.6V的范围内时，放大器同相端的放大倍数＋K和反相端的放大倍数-K的相对误差△K/K在2.0％以内。所以，该放大器同相输入端和反相输入端的放大倍数具有很好的对称性。

该放大器非常有用，它可以广泛地应用在科研、文教、卫生等领域的各项工作中。但是，作者的实践证明，制作时要注意四个问题。

(1)该电路对干扰敏感，因此，制作时要特别注意屏蔽。为了防止电路内部干扰，最好将主放大器(包括调0电路)单独屏蔽。并且，接地线采用屏蔽性，印刷电路板采用四氟乙烯制作。

(2)调0电路的电阻应选用RJJ金属膜精密电阻。并且，因为2DW7C上流过的电流会影响调0电路的稳定性，所以选择10mA的电流时，电路较稳定。

(3)该电路是根据Barna提出的对运算放大器应采取对称接法的原理设计的，因此，应该尽量满足Barna的R_p/R_s=R_f/R_i的关系。即使如此，因为调。电路给出的往往是某一正电位或负电位，故将直接影响电路的对称性。因此，要求7F-2的失调电压选择得足够小，最好挑选失调电压≤0.1mV的管子。否则，同相端和反相端的放大倍数将不相等，会带来测量误差，并且电路难以稳定。

(4)电路中的过载指示的作用，在于防止因为差模信号过大引起同相端和反相端的放大倍数将不相等而使测量失真。当输出电压V_o大于4.6V时，±K的差值迅速增大，此时输出已不呈线性，放大器的过载指示会立即报警。

该放大器也可以作为单端输入的负反馈线性放大器使用，只需要将放大器的同相输入端接地即可。

相关链接：HPLC的电子学系统设计（一）