精密同步檢波放大器設計加速低電壓測量
作者 : Jordan Dimitrov，電子工程師
本設計實例提出一種實用電路，可藉此實現同步檢測，進而以高線性度和出色的抗噪性對較小DC電壓進行放大
本設計實例提出一種實用電路，可藉此實現同步檢測，進而以高線性度和出色的抗噪性對較小直流(DC)電壓進行放大。在涉及電流分流器、稱重感測器和熱電偶等的測量中都需要使用這種電路。同步檢測在許多書籍、論文和儀器手冊中都有說明。
圖1顯示放大器的方塊圖。它在儀表放大器、可調非反相放大器和低通濾波器三者之間總共提供了1000倍的固定增益。極性開關和儀表放大器用於將DC輸入轉換為雙極性方波訊號，因而能應用於同步檢測技術。
圖1：放大器方塊圖。
圖2顯示方塊圖前四個單元的電路。高品質運算放大器可提供超低偏移電壓、非常低的雜訊和20V/µs的壓擺率。所有電阻器的容差都為1%，但將R1至R6電阻器兩兩配對使用，所得到的容差即為0.05%。
圖2：部份放大器的電路原理圖(濾波器將在下面單獨介紹)。
圖3顯示濾波器原理圖。這是一個4極點Sallen-Key低通濾波器的規範設計，DC增益為2.576，截止頻率為1Hz，滾降率為-80dB/dec。
圖3：低通濾波器原理圖。
方波振盪器基於74HC4060晶片設計。其頻率設置為577Hz，也即一個在最接近的50Hz和60Hz諧波之間大致等距的質數。
圖4 展示了該PCB。它是一個兩層板，尺寸為78×62mm (3.07×2.44″)。所有類比接地都使用單獨的走線單點連接到電源接地。所有測量都是參考這個公共點。
圖4：放大器的兩層PCB。
電路性能使用自製的電壓校準器和6.5位萬用表進行評估。兩個電路板之間放置了一個100:1的分壓器，以提高輸入電壓解析度。
傳遞函數採用最佳擬合線來近似，其方程式如下：
VBF=1001.1×VIN–0.013 (1)
圖5顯示VOUT的實驗資料與最佳擬合線之間的偏差。誤差在±1mV之間。就10V的滿量程電壓而言，這是一個極好的結果。傳遞函數中的13mV偏移，可以透過硬體輕鬆消除；或者，如果電路連接有MCU，則還可以經由韌體消除。
圖5：電路性能——實驗資料與最佳擬合線之間的偏差在±1mV範圍內。
總而言之，採取一些措施有助於改善成本和性能：
- 將訊號源連接到電路板的電線，應做到盡可能短。
- 針對U3使用偏移電壓規格不至於太極端的更便宜運算放大器。
- 如果可能的話，可使用2極點濾波器。這樣，封裝中的第二個運算放大器就可用於抵消傳遞函數的偏移。
- 使用SMD元件，可縮減PCB的尺寸和價格。
(參考原文：Precision synchronous detection amplifier facilitates low voltage measurements，by Jordan Dimitrov)
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