热电堆信号放大电路仿真
简 介：本文针对热电堆信号放大电路的设计问题进行了仿真分析。首先根据网友提供的电路图在LTspice中搭建仿真模型，使用通用运放替代原TPA5572芯片。通过调整电路参数，发现将第二级放大电路的电容C3从1μF增大到10μF后，仿真波形与实际测量结果更加吻合。仿真显示该电路是一个带通放大器，低频截止频率约0.9Hz，高频截止频率约37Hz，总增益约20000倍（86dB）。分析表明，低频截止频率的设置对信号峰值影响显著，过高的低频截止频率会使输出信号峰值降低近一半。该研究为热电堆信号放大电路的参数优化提供了参考依据。
关键词：热电堆信号放大，NDIR
热电堆放大电路
- 小手冰凉啊呀：问题提出，BiliBili网站留言
- TPA5572零漂移，低偏置电压，15MHz运放
一、问题提出
前几天网站朋友留言， 询问一个热电堆输出信号放大电路设计问题。 他原本是根据原有的设计电路， 自行设计了 一个改版放大电路， 只是现在对于这个电路中的各个元器件参数调整还没有特别理解， 希望能够具体了解一下这个电路设计原理。 由于这几天开学，事务比较多。 所以今天才得以对这个电路进行分析。 为了对该电路分析方便， 下面在 LTspice 电路中建立它的仿真电路， 通过仿真结果具体了解一下这个电路的特性。
▲ 图1.1 原始参考电路▲ 图1.2 重新设计之后的电路二、仿真电路
在设计电路中， 所使用的运放为 TPA5572， 这是一个工作电压5V， 零漂移， 轨到轨输入输出的运放。 带宽积为 15MHz。 可以替换同型号的芯片挺多的。 寻找这些可以替换的芯片， 主要是想找到在 LTspice 元器件库中存在的相同运放模型。 很可惜，所看到的这些替换芯片在 LTspice 元器件库中没有可以替换的。
所以只能使用其中的通用运放器件。 可以看到 LTspice 中具有八个通用运放， 这些器件有什么区别呢？ 我现在还不太了解。 只是通过测试发现， 前面三个和后面五个在电源适配上有区别。 比如前面三个运放， 即使设置运放的工作电源为单电源5V， 但是输入一个正负10V的正弦信号进行跟随放大， 它居然也能够输出正负10V的信号。 如果将它修改成后面五个中的一个， 可以看到， 芯片输出就被限制在 0 到 5V之内了。 这就合理了。
下面根据实际电路图建立仿真电路。 其中参考电压 REF 应该等于 200mV。 使用通用运放3模型搭建电路。 运放的工作电源为 0V 到5V。 电源V2， 对应 200mV， 在单电源电路中作为信号的0点参考电压。 使用 V3 作为传感器输入信号。 它产生 200ms宽度， 幅度为 0.1mV的方波信号。 第一级低通滤波器对于低频分量产生大约 200倍的增益。 输出会产生大约 20mV的放大信号。 在经过C2,R3 隔直之后耦合到第二级放大电路。 第二级放大电路是一个带通放大电路， 中频增益大约为100倍。 C3决定了低频截止频率， 对应的时间常数约为 10ms。 输出信号在经过R6，C5进行高频滤波， 最终得到放大之后的信号。 下面查看仿真波形。
三、仿真结果
查看一下各点放大波形。 这是观察到电路中两个放大之后的波形。 绿色信号是第一级输出信号， 高电平接近220mV， 相比于参考电压幅度大约为 20mV， 这是对输入0.1mV的脉冲产生了 200倍的放大。 蓝色信号是最终电路输出信号。 可以看到它的峰值接近于 890mV。 由于他的低频截止频率对应大约 100Hz， 所以在这里， 输出信号的最高电压实际上并没有达到 对应的 2V。 这是因为第二级放大电路低频截止频率限制了信号的放大倍数。
下面对比以及实际电路输出电压波形， 可以看到与仿真波形还是有很大的区别。 电路中时间扫描基准为每格 400ms， 信号脉冲宽度为 200ms。 这里有一个问题， 那就是实际输入信号的波形我现在是不知道的， 所以现在看到的波形究竟是方波产生的输出信号。 还是信号波形本身就是这样子的， 对应的放大信号。 这一点并不清楚。 根据波形变化推测电路频带宽度。 可以看到信号的上升和下降对应的变化趋势， 近似RC充电放电变化规律。 如果根据信号下降对应的时间常数， 也就是电压大约下降带原来的 37%左右， 对应的时间常数为 100ms左右， 如果这个变化反应了电路第二级带通低频截止频率的话， 那么对应的低频截止频率应该是 1.5 Hz 左右。
根据上述对比， 修改电路中电容 C3 的参数， 将它的容值从之前的 1微分增加到 10微法， 这样与 R4, 对应的时间常数加增加到 100ms， 后级放大电路的低频截止频率就下降了。 重新观察仿真输出波形， 可以看到这一次与实际测量的信号波形就一致了。 这说明现在仿真电路中的参数与实际电路中的参数接近了。 特别是，信号最高电压也上升到 1.8V， 这与电路中总的增益 （20000倍）就接近了。
四、频率特性
下面通过 LTspice 仿真这个电路的频率特性。 设置输入信号为 0.1mV的交流信号， 从 0.1Hz 扫描到 100Hz。 信号幅度为 -80dB， 经过两级放大， 理想增益为 20000倍， 对应增益为 86dB。 因此输出信号最大值为 6dB。 仿真结果显示， 信号输出呈现带通特性， 最高增益时对应信号输出接近 6dB。 对应信号输出 0dB时， 低频截止频率约为 0.9Hz， 高频截止频率约为 37Hz。
※总结 ※
本文对一个热电堆信号放大电路进行了仿真。 根据实际测量信号， 对于电路中 C60的容值从 1微法， 增加到 10微法。 这样就使得电路输出仿真信号与实际电路测量信号相似。 电路是一个带通放大电路， 低频截止频率约为 1Hz。 可以看到，信号的增益除了与电路直流放大倍数有关系， 同时还与电路中主要低频和高频截止频率有关系。 特别是低频截止频率，如果太高， 比如原来设置的 10Hz左右， 就会使得输出信号的峰值降低了将近一半左右。
■ 相关文献链接:
- 小手冰凉啊呀：问题提出，BiliBili网站留言
- TPA5572零漂移，低偏置电压，15MHz运放
● 相关图表链接:
- 图1.1 原始参考电路
- 图1.2 重新设计之后的电路