热电堆信号放大电路

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

小手冰凉啊呀：问题提出，BiliBili网站留言[1]

TPA5572零漂移，低偏置电压，15MHz运放[2]

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。

参考资料

[1] 小手冰凉啊呀：问题提出，BiliBili网站留言: https://message.bilibili.com/#/whisper/mid437049263

[2] TPA5572零漂移，低偏置电压，15MHz运放: https://www.3peak.cn/low-voltage-op-amps/tpa5572q