ZHCUDL3 December 2025
积分器可在 PCB 罗氏线圈的全带宽范围内提供平坦的线性响应,并对低频信号进行放大。积分器在直流下的增益为无穷大。这会导致误差随时间累积,因此需要对积分器进行复位。本设计通过在放大器上使用反馈电阻器 R6,规避了这一问题。随后由 R6 与 R3 设定直流增益。
放大器噪声是积分器放大器选型的考量因素。依据 TIDA-01063 中的公式计算,60Hz 下罗氏线圈的灵敏度为 4µV/A。约 8nV 的噪声可实现约 2% 的精度。罗氏线圈兼具高通滤波器的功能。频率越高,信号幅值越大。60kHz 下 1mA 的信号搭配 4nV 噪声,可实现 2% 的精度。同理,60MHz 下 1µA 的信号也可实现 2% 的精度。TLV387 可满足这一低噪声要求。
积分器的截止频率选定为 1kHz(高于 60hz),以衰减负载信号,并为带通滤波器提供更陡峭的截止特性。
1kHz 下,开环增益可达 75dB。直流增益由 R6 与 R3 设定为 68.6dB(即 2543v/v)。这是该放大器在保留一定余量下可支持的最大增益。该电路的仿真相位裕度为 45.61°。当积分器增益为 2543v/v、灵敏度为 4µV/A 时,在 60Hz 频率条件下,其输出电压电流比与 60Hz 下的 10mV/A 相等。
有源低通滤波器存在带宽限制。但无源 RC 滤波器可拓展带宽。无源滤波器的截止频率需与设计的有源低通滤波器的交叉频率一致(2)。在 68.6dB 增益下,交叉频率为 2MHz。选定 R3 与 C5 的截止频率为 2MHz,以拓展积分器带宽。
图 3-5 无低通滤波器的积分器
图 3-6 添加低通滤波器后的混合积分器最终幅频与相频特性在该增益下,输入失调电压也会被放大。在 0V 至 3.3V 的量程下,无信号余量时的最大失调电压为 1.29mV。TLV387 的最大输入失调电压为 10µV。这会产生 ±25mV 的直流失调,可通过带通级中的高通滤波器抵消。考虑到失调电压,放大器在全温范围内的调整后量程为 3.3V – 0.25V = 3.05V。该混合积分器在无削波情况下可检测的最大电流计算为:
本设计选择 TLV387,是因其具备低噪声与低输入失调的特性。这些特性可实现对 PCB 罗氏线圈小信号的大幅放大。单个放大器使混合积分器拓扑可适用于高带宽应用场景。无源 RC 低通滤波器可拓展放大器带宽。对于无需高带宽的设计,采用两级“积分器 + 放大器”拓扑,搭配 OPAx323 或 TLV905x 即可满足需求。这种方案可避免输入失调电压导致的削波,但积分器带宽会受第二级放大器的限制。
| 放大器 | TLVx387 | OPAx323 | TLV905x |
|---|---|---|---|
| 通道数量 | 1、2、4 | 1、2、4 | 1、2、4 |
| 噪声 | 9nV/√Hz | 5.5nV/√Hz | 20nV/√Hz |
| 带宽 | 5.7MHz | 20MHz | 5.5MHz |
| 静态电流 | 570μA | 1.6mA | 330μA |
最大输入失调电压 (-40°C 至 120°C) |
10μV | 1.35mV | 2mV |
| 典型输入失调电压 | 1μV | 150μV | 330μV |