低電平信號檢測的直流放大電路設(shè)計

陳龍嬌，趙繼敏

(上海交通大學電氣工程系，上?！?00240)

0　引言

在一些敏感元件或小電阻率器件的檢測過程中，由于測試電流不能過大，許多參數(shù)的測量最終都要歸結(jié)為直流低電壓信號的測量。低電壓信號是微弱信號，微弱信號檢測技術(shù)研究的重點是如何從強噪聲中提取有用信號，探索采用新技術(shù)和新方法來提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比[1]。由于低電壓信號幅值很小，需要對信號進行低噪聲放大處理后才可以測量，所以采用調(diào)制解調(diào)放大原理，針對溫漂和噪聲抑制等問題，設(shè)計了一種低噪聲的直流放大電路，測量誤差在0．1 μV以內(nèi)。

1　工作原理

直流放大器的基本原理框圖如圖1所示，低電壓信號Ui通過傳感器獲得，由低噪聲調(diào)制電路(MOS-FET斬波管)將直流輸入電壓信號變換成交流信號，經(jīng)過輸入變壓器隔離并升壓實現(xiàn)無源電壓放大，再由交流放大器高倍率放大已調(diào)信號，然后通過同步解調(diào)電路，將放大了的交流信號相敏解調(diào)復原成直流信號，低噪聲濾除波紋后輸出放大后的直流信號Uo．整個放大電路還要通過精密電阻構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)進行反饋閉環(huán)，穩(wěn)定工作點并優(yōu)化輸出波形。

圖1　直流放大器原理圖

2　放大電路設(shè)計

2．1調(diào)制波電路

調(diào)制波方波發(fā)生器電路如圖2所示，三極管使用超高頻NPN型半導體三極管3DK2B。圖中T2、T3構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率約為400 Hz。

圖2　調(diào)制波方波發(fā)生器

由于電容的積分效應(yīng)，會造成輸出方波的前后沿較大，所以加入T1、T4對輸出方波整形放大，從二者集電極取出較為理想的方波分別控制調(diào)制器和解調(diào)器動作。

2．2調(diào)制解調(diào)放大電路

由于測量的電壓信號非常低，斬波后得到的交流信號幅值沒有變化，依然很小，直接進行有源放大的話引入的輸入噪聲將遠高于測量信號，所以必須采用輸入變壓器先放大交流信號，再進行下一步有源放大。

通過引入輸入變壓器升壓并耦合至交流放大電路，實現(xiàn)了無源電壓放大，無源電壓放大要比有源電壓放大引入的噪聲電壓小的多，因而提高了輸入電壓信號的信噪比；同時由于調(diào)制斬波的作用將原來的低頻信號變?yōu)楦哳l信號，降低了1/f噪聲(低頻噪聲)的干擾。可見調(diào)制解調(diào)放大器可以實現(xiàn)低噪聲電壓放大[2]。

場效應(yīng)管有2種。絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)具有低噪聲，高輸入阻抗，低電平驅(qū)動，跨導高度線性，穩(wěn)定性好等特點；宜作阻抗變換器和調(diào)制器。結(jié)型場效應(yīng)管(J-FET)具有低噪聲，溫度特性好，輸入阻抗較高等特點；宜作放大器輸入級。文中選用MOSFET作為斬波管。

當柵極G加上調(diào)制方波正半周時，管子導通，此時VGS=0，ID=0，管子導通時無殘余電壓，導通電阻Ron=1/gm．

(1)

式中：gm為場效應(yīng)管跨導；VP為夾斷電壓；IDSS為VDS=0時飽和漏電流。

由式(1)可得，跨導由IDSS、VP決定，要Ron小就應(yīng)選擇IDSS大、VP小的管子。根據(jù)國內(nèi)器件的實際水平，提出Ron在150 Ω左右[3]。

調(diào)制解調(diào)放大電路如圖3所示，其中T1、T6選用MOSFET斬波管GK32，T2～T5選用J-FET管3DK2B，直接耦合連接，防止交流信號相移。工作過程：直流低電壓經(jīng)斬波器T1變換成交流電壓，通過輸入變壓器(變比n=100)升壓后進行交流放大(T2～T5作用)，放大倍數(shù)為1．5×105。然后經(jīng)T6相敏解調(diào)后濾波輸出，復原成直流信號。R1、R7、R8構(gòu)成交直流負反饋網(wǎng)絡(luò)，選用精密電阻，以達到穩(wěn)定工作點并優(yōu)化輸出波形；R2和C1的作用是矯正頻率，可防止振蕩；R13和C3的作用是去耦濾波，可防止源電阻引起的振蕩。輸入變壓器要進行屏蔽措施防止電磁場干擾。

圖3　調(diào)制解調(diào)放大電路

3　設(shè)計中的主要問題

3．1放大器

放大器在理想狀態(tài)下，其輸入和輸出關(guān)系是：Uo=-G·Ui，但實際上無法實現(xiàn)，對應(yīng)的關(guān)系應(yīng)為：

Uo=-G(ω)·(Ui+ud+uδ)

(2)

式中：G(ω)為隨頻率變化的放大增益；(ud+uδ)為等值不穩(wěn)定的電位輸入；ud為固定分量；uδ為變化分量。

由式(2)可見，實際應(yīng)用中，要引入正確的反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定系統(tǒng)防止振蕩，還要進行調(diào)零來補償ud引入的電位差，而uδ即為漂移，則比較難補償，需要通過合理的電路設(shè)計和嚴格的器件選擇來克服，文中選用高性能的場效應(yīng)管，通過串并聯(lián)方式有效地降低了漂移量。

另外，還應(yīng)采取一些屏蔽措施來有效地抑制噪聲和干擾，外界干擾主要來自2個方面：一是空間電磁干擾；另一個是電網(wǎng)50 Hz干擾。為減小空間干擾，放大器被雙層屏蔽；為避免50 Hz干擾，放大器用電池組供電[4]。

3．2信號源阻抗及系統(tǒng)干擾

微弱信號對外界干擾是相當敏感的。由圖4所示，由于干擾信號產(chǎn)生的電流II將流過信號內(nèi)阻抗，產(chǎn)生干擾電壓迭加在被測信號上，從而影響測量準確度，干擾信號的幅度將直接與信號源阻抗Z成正比。[5]此時，放大器輸入信號Ui為：

Ui=EN+ZII

式中EN為被測信號幅度。

可見信號源內(nèi)阻抗Z越低，由干擾電流引入的影響則越小，因此低的信號源內(nèi)阻能夠減弱干擾對測量的影響。同時，本設(shè)計中使用RC濾波器去耦濾波，防止信號源阻抗引起的振蕩，使系統(tǒng)更好地工作。

圖4　信號源阻抗改善減少系統(tǒng)干擾

3．3約翰遜噪聲(JohnsonNoise)

在電子測量中，分辨率的最終極限是由約翰遜噪聲或者熱噪聲來決定的，所有的電壓源都具有內(nèi)阻，都會產(chǎn)生約翰遜噪聲[6]。

噪聲電壓與溫度、噪聲帶寬和源電阻有關(guān)，金屬電阻產(chǎn)生的噪聲電壓為：

(3)

式中：V為源電阻上產(chǎn)生的噪聲電壓有效值；k為波爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為源的絕對溫度；B為噪聲帶寬；R為源電阻。

放大電路輸入端的噪聲主要是由反饋環(huán)節(jié)的電阻引起，Rfeedback=1.5 MΩ，將測量室溫T=300 K，B=0.1 Hz代入式(3)，得約翰遜噪聲V≈4.71×10-8V，折算到輸入端噪聲約為0.5 nV，可滿足要求。

4　性能仿真

仿真條件：輸入1 μV階躍信號來模擬傳感器獲得的直流低壓信號，加入均方差為20 μV的白噪聲信號來模擬干擾噪聲。仿真結(jié)果：仿真時長為20 s的輸出曲線如圖5所示，仿真時長為30 min的輸出曲線如圖6所示。

圖5　50 nV輸入時的40 s輸出曲線

結(jié)果分析：該直流放大電路測量穩(wěn)定時間約為2 s，測量誤差維持在0．06 μV以內(nèi)，達到靈敏度0．1 μV要求。

5　結(jié)束語

文中設(shè)計了一種低電平信號的直流放大電路，采用場效應(yīng)管低噪音調(diào)制放大低電平信號，同步解調(diào)后濾波輸出，通過仿真實現(xiàn)低電平測量，結(jié)果顯示靈敏度能達到10 nV．分析了電路設(shè)計中的一些主要問題并提出相應(yīng)解決措施，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量性能。

圖6　50 nV輸入時的30 min輸出曲線

參考文獻：

[1]章克來，朱海明．微弱信號檢測技術(shù)．航空電子技術(shù)，2009 (2)：30-36．

[2]郝新超．數(shù)字直流納伏表關(guān)鍵技術(shù)研究：[學位論文]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007．

[3]高紀澤，郭鯉．0．01μV高靈敏度直流放大器．電測與儀表，1982 (8)：1-7．

[4]吳文全，葉曉慧．μΩ級小電阻測量方法研究．電測與儀表，2003 (11)：26-28．

[5]潘光興．低電平測量中干擾的消除．電測與儀表，1982(7)：40-43．

[6]Keithley Instruments，Inc．Low Level Measurements Handbook．USA，2004．

趙繼敏(1964-)，副教授，從事電機驅(qū)動與控制等方面研究。