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微弱信号检测的前置放大器设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.08M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    微弱信号检测的前置放大器设计 奚建平 摘要：在分析了现代微弱信号检测的研究技术的基础上，探讨了微弱信号检 测的低噪声前置放大器设计中的若干技术问题。包括低噪声运放的选择、同 相放大与反相放大的选择、噪声匹配、外围电阻选择及合理布局布线等。并 对放大器的噪声特性进行了分析，并对应噪声的抑制措施进行了介绍。 关键字：微弱信号检测；前置放大器；噪声； 1、引言 随着现代科学技术的发展,微弱信号检测已经成为很多领域中不可缺少的手 段,其应用范围遍及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域。 在一个电子系统中,有用信号往往带有大量白噪声,从时域上看,甚至会出现 有用信号淹没于大噪声中的情况。在这种情形下,传统方法通常采用带通滤波技 术,使放大器中心频率与待测信号频率相同,从含有大量噪声信号众多频率中间 取出有用分量,滤除其它噪声分量。但是这种选频滤波方法存在很多问题,带通滤 波器的通带宽度不可能无限变窄,其品质因素Q值通常不会超过100；幅频特性曲 线在通带内不够平坦或者相频特性曲线在通带内非线性变化。对于微弱信号检测 的研究,目前已经取得一些进展,比如随机共振检测理论、数字信号处理方法、分 段采样信号相位关联检测技术以及混沌理论微弱信号检测原理等。在现代微弱信 号检测理论和实践中, 低噪声前置放大器是不可或缺的部件。据Friis 公式可知, 前置放大器的噪声系数F 对放大器的总噪声系数影响最大。故要求前置放大器必 须噪声小、增益稳定、精确、抗干扰能力强。随着低噪声运放技术的不断发展, 直接选用低噪声运放设计前置放大器,成为一种重要的发展趋势[1]。 2、前置放大器设计技术 2.1 低噪声运放的选择 低噪声运放的噪声指标常以噪声电压En和噪声电流In给出。据Rothe 等人提 出的放大器的En - In噪声模型[2]可知，由放大器引起的噪声项为En2和In2 Rs2 ( Rs 为传感器的输出电阻) ,即在等效输入噪声中由放大器提供的噪声为： 式(1) 表明, 运放对前置放大器噪声的贡献, 不仅与运放自身的噪声指标 ( En和In) 有关, 而且与传感器的输出电阻有关。若只考虑En , 作出的选择可 能是错误的。据对实际运放的分析可知[3] ：低频时反相放大器和同相放大器可 分别近似等效为图1 (a)、图1 (b) 的形式，其输出表达式可分别近似为：
    分别与理想运放构成的反相放大器和同相放大器的输出表达式对比可见,运放的 输入失调电流IIO及其漂移(d TIO/ d T)、输入失调电压VIO及其漂移(dVIO/ d T) 和 共模抑制比KCMR ,是影响放大器精度和稳定性的主要因素。所以,在选择低噪声运 放时,主要考虑噪声、失调、温漂、共模抑制比、开环增益等性能指标,且需要综 合考虑相关因素,作出合理选择。 2.2 同相放大与反相放大的选择 由运放构成的同相放大器和反相放大器都是常用的放大电路形式。由于它们 的负反馈组态不同,因而负反馈对其性能的影响不同,使得它们在特点和适用场 合上有些区别。但它们都属于比例放大器,从放大的角度来看,两种电路形式并无 实质性区别。然而,反相放大器(运放作理想运放) 的输出表达式为： 作为传感器前置放大器时,传感器的输出电阻Rs是R1的一部分, Rs的变化会引起 放大器输出的变化。同相放大器不存在这样的问题。若传感器的输出电阻Rs随工 作状态、工作环境等的变化而有明显变化,则不宜选用反相放大器。虽然从原理 上讲,对同相放大器,要求运放的共模抑制比更高(因为共模信号大小近似等于输 入信号大小) ,但由于传感器的输出信号幅度往往很小,因而这一限制一般不成 问题。 2.3 噪声匹配 根据噪声匹配理论[4] ,由放大器的噪声电压En和噪声电流In定义的最佳源电 阻为 若传感器的输出电阻Rs与最佳源电阻Rso相等,则系统的噪声系数最小,即实 Rso = En/ In (5) 现了噪声匹配。
    基于运放的放大器都要用到某种组态的负反馈。由文献[5]可知,串联负反馈 使放大器的输入阻抗增大,并联负反馈使放大器的输入阻抗减小。且各种负反馈 组态都可以通过恰当的设计,使由负反馈引起的噪声性能恶化可略。所以,利用负 反馈改变输入阻抗,以实现噪声匹配,是完全可行的。 当传感器的输出电阻Rs很小时,也可用多个运放并联的方法来降低最佳源电 阻,以实现噪声匹配。图2是由若干个LT1028 运放并联运行的实际电路。分析可 知,N 个运放并联后的最佳源电阻将减小N 倍。随着运放成本的下降,由此带来的 成本增加已不是大问题。 图 2 多个运放并联减小源电阻 值得注意的是,为了达到噪声匹配,无论在传感器的输出端串联电阻还是并 联电阻,都只会使放大器的噪声性能更加恶化。因为附加的电阻对传感器的输出 信号和传感器输出电阻的热噪声的衰减量相同,但它们还衰减了传感器输出信号 和前置放大器噪声之比,此外附加电阻本身也产生热噪声。 2.4 外围电阻选择 通常低噪声运放本身性能优良,很接近理想运放,再加上负反馈对放大器性 能的改善,就使得运放的外围电阻阻值的精确性和稳定性,成为影响放大器精度 和稳定性的重要因素。一般应当认为负反馈放大器的性能由所使用的固定电阻的 特性来决定[6 ] 。电阻值精度的影响一般可以通过电路调试来解决。然而,电阻值 的稳定性问题主要由温度变化引起,解决问题的理想方法是恒温和低温,这对传 感器前置放大器一般很难实现。可见,选择低噪声运放的外围电阻时,电阻的温度 系数小是最重要的。 选择温度系数极小的电阻,在实践中往往很困难。在这种情况下,可以选用将 多个相同的电阻封装在一起的薄膜集成电阻。文献[6 ]表明：采用同一封装内的电 阻作为运放的外围电阻,可以得到与使用温度系数为(1～5) ×10 - 6/ ℃的电阻 相同的稳定性。在实践中,若现有的薄膜集成电阻阻值不能满足需要,可以将同一 封装内的若干个电阻适当地串、并联(含混联) ,以得到所需的电阻值。 2.5 合理布局布线 对低噪声前置放大器而言,元器件的布局布线也是影响其性能的重要因素,
    对元器件的布局布线有一些与普通电路不同的特殊要求。这些特殊要求都是基于 这类放大器自身特点和应用特点提出来的。在布局布线时，有几个问题需要特别 注意：放大器输入信号回路的正确接地；去耦电容的合理选用；漏电流的减小或 消除。 目前一些超低噪声高精度运放的输入失调电流已由纳安(nA)降至皮安(pA)， 使得电路板表面漏电流成为不可忽视的问题。设电路板上运放的电源线与运放的 输入引脚之间电路板的绝缘电阻为R1，对FR - 4 电路板, R1最大约为1011Ω。 若 运放的电源为15 V，则流入运放输入端的漏电流为150 pA。 这一电流可能大于 运放的输入失调电流,而且这一电流还会随绝缘条件的变化(如温度变化) 而变 化。解决这一问题的方法是增强绝缘，必要时还可使用保护环或保护电极。 3、前置放大器的噪声分析及抑制噪声的措施 前置放大器的噪声性能主要由输入级贡献,噪声源主要有热噪声、散弹噪声、 1/f噪声、爆烈噪声等内部固有噪声和电场干扰噪声、磁场干扰噪声、电磁辐射 噪声、地电位差噪声、公共阻抗耦合噪声等外部干扰噪声。这里主要介绍热噪声、 1/f噪声、散弹噪声和爆烈噪声及其对应的抑制措施。 3.1 热噪声 热噪声是电阻中电子的随机热运动产生的。根据奈奎斯特定理, 得出噪声电 压的均方值为： Vn2= 4RkT△f (6) 式中： T 为绝对温度；f 为放大器的带宽；k 为玻尔兹曼常数；R 是传感 器的元件阻抗与前置放大器输入阻抗并联的总电阻值。从上面分析可知, 降低热 噪声要采取以下两个措施： 1) 应尽量缩短传感器至前置放大器的传输距离, 以减少外来干扰进入前置 放大器。 为了限制噪声带宽, 在前置放大器的输入端串入低通滤波电路, 以减 少热噪声对前置放大器的影响。 2) 要减少传感器的热噪声, 应尽量增大总电阻。 3.2 1/f噪声 在各类电子器件中均有与频率有关的噪声是1/f噪声, 它是由两种导体接触 点电导的随机涨落产生的，因此又称接触噪声。并且在低频范围内, 该噪声常成 为器件的主要噪声。对该噪声, 可以采用交流耦和的办法将其去掉, 但它带来的 影响是, 低频信号将受到直流下降的损害并产生负尖峰, 使信号乱真, 这将直 接影响到前置放大器的输入端。解决的办法是, 使用直流模拟恢复技术来达到抑 制噪声的目的。 3.3 散弹噪声和爆烈噪声
    集成运放的主要噪声电压贡献来源于闪变噪声和爆裂噪声。散弹噪声是E-B 结少数载流子运动引起的表面复合效应, 是低频噪声的主要贡献。 爆裂噪声是由P-N 结中空间电荷区中缺陷感生的势垒高度的调制效应引起 的。 爆裂噪声频率与发射极电流密度的有关, 发射极电流密度愈低, 则噪声频 率就愈低。因此, 在低噪声放大器应用中, 放大器工作点应设置在IC、ICE均较小 的区域, 使得爆裂噪声频率尽可能偏离信号频率, 以便采用滤波电路将其去掉。 各噪声对信号的影响如图3所示： 图 3 不同噪声对信号的影响 3.4 其他信号的干扰问题 除了上述内部固有噪声的影响外, 微弱信号放大还易受到外部干扰, 主要 包括：电源的干扰、空间电磁波的干扰、线间干扰。电源的干扰是由于交流电网 的负载变化产生的脉冲信号。这些脉冲信号具有从低频至高频的频谱, 它通过电 源线甚至地线传递到前级造成严重的干扰。对该干扰信号, 可以采用精密直流稳 压电源供电, 并在稳压块的前端串入低通滤波器, 同时将交流地线和直流地线 分开。对空间电磁波的干扰, 应采用良好的屏蔽, 即将传感器与放大器之间的信 号线采用屏蔽线, 前置放大器采用屏蔽盒。至于线间的干扰信号, 只要在制作印 刷板时合理布线、防止平行走线, 并使电源线远离信号线。采用合理的措施, 上 述三种干扰信号基本可以消除。 4、总结 微弱信号检测的低噪声前置放大器设计复杂,涉及很多理论与技术问题,且 有些重要问题的解决方法相互矛盾,需要权衡后作出折衷。只要合理选择元器件、 合理设计电路及合理布局布线,低噪声前置放大器,在很多情况下可以满足应用 需要。对各种噪声，只要采取适当的措施就可以减小或消除。 参考文献 [1] 江月松. 光电技术与实验. 北京:北京理工大学出版社,2000 :289 -290. [2] ROTHE H , DAHLKE W. Theory of noisy fourpoles. Proceedings of the IRE. 1956 , 44 : 811 - 818. [3] 秦世才,贾香鸾. 模拟集成电子学. 天津:天津科学技术学出版社,1996 :187 - 191. [4] 高晋占. 微弱信号检测. 北京:清华大学出版社,2004 :93 - 96.
    [5] 童诗白,华成英. 模拟分电子技术基础. 第3 版. 北京:高等教育出版社,2001 :273 - 275. [6] 冈村迪夫. OP 放大电路设计. 王玲,徐雅珍,李武平,译. 北京:科学出版社,2004 :104.
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