低噪聲多級放大信號調(diào)理的濾波技術(shù)研究

高小花，馮西安

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對水下導(dǎo)航、海洋監(jiān)測、水下目標(biāo)定位以及水下通信等領(lǐng)域的興趣更加濃厚，對聲納接收機的性能也有了較高的要求，聲納接收機性能的優(yōu)劣直接影響到聲納系統(tǒng)的工作性能。一款簡單的接收機就是一個信號調(diào)理系統(tǒng)，包含信號的放大級電路、可調(diào)增益、濾波等電路單元，將待測信號轉(zhuǎn)換為采集設(shè)備能夠識別的信號，一個高精度的信號調(diào)理機對水下研究具有重要的意義。

本文提出一個低噪聲多級放大信號調(diào)理機，針對進程目標(biāo)回波的特點，采用多級放大信號調(diào)理，但由于底噪聲的污染，對濾波器設(shè)計就有更高的要求。為了解決上述問題，本文設(shè)計一款低噪聲四階LC無源BPF，實現(xiàn)對多級放大信號濾波。通過對不同濾波器電路噪聲進行分析和比較，得出LC無源BPF具有較好的幅頻響應(yīng)和更低的噪聲，更好地改善了接收機的性能。

1 低噪聲多級放大信號調(diào)理電路

水下信號接收調(diào)理電路的基本流程為[1]：聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，進行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理。圖1為本系統(tǒng)中信號調(diào)理系統(tǒng)的框圖。

圖1 信號調(diào)理系統(tǒng)框圖

對弱信號進行檢測時，前置放大器是非常重要的，選擇合適的參數(shù)，以減少放大器自身引入的噪聲。本系統(tǒng)采用三級放大形式[2]，信號通過變壓器耦合輸入降低噪聲輸入，經(jīng)過一級放大，采用低噪聲集成運放AD620，增益為40 dB，用于放大前端接收到的微弱信號；AGC部分采用VCA810[3]可以使得線性可控增益范圍擴大到-40 dB～+40 dB，用于調(diào)節(jié)通道放大倍數(shù)，壓縮信號動態(tài)范圍，穩(wěn)定輸出信號幅度[2]；TVG時變增益控制用于控制混響，在近距離探測時保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定；三級放大采用低噪聲集成運放OPA211[3]，增益為40 dB，用于進一步提高系統(tǒng)整體增益，三級級聯(lián)放大保證了系統(tǒng)總體增益高達120 dB，并可在40 dB～120 dB范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)，可以接收小到微伏級的水下弱信號。多級放大電路如圖2所示。

圖2 三級放大電路圖

2 帶通濾波器設(shè)計

雖然在本系統(tǒng)中采用的是高精度、低噪聲集成運放設(shè)計的多級放大電路，但仍然不可避免地引入了放大器自身的噪聲，對于水下微弱信號的接收，這些噪聲對信號的影響也是不能忽視的。本系統(tǒng)設(shè)計了一個中心頻率100 kHz，帶寬 40 kHz，阻抗 500 Ω 的無源 LC巴特沃斯帶通濾波器。整個設(shè)計過程大致可分為兩個階段[4]，前一個階段是依據(jù)歸一化LPF設(shè)計出通帶寬度等于待設(shè)計BPF帶寬的LPF，后一階段是把這個通帶寬度等于待設(shè)計BPF寬帶的LPF變換成BPF。

2.1 基于Filter-Solutions設(shè)計的BPF

Filter-solutions帶通濾波器也是按照如上所表述的原理設(shè)計的?；贔ilter-Solution軟件設(shè)計的歸一化一款中心頻率100 kHz，帶寬 40 kHz，阻抗為 500 Ω的巴特沃斯四階帶通濾波器。如圖3、圖4所示，分別為無源濾波器和有源濾波器的電路圖，它們具有相同的頻率、相位及群延遲特性。

圖3 巴特沃斯型無源BPF

圖4 巴特沃斯型有源BPF

從濾波器的電路圖可以看出，與有源濾波器相比較，無源濾波器除本身系統(tǒng)穩(wěn)定性好，適合高頻濾等優(yōu)點外，其電路結(jié)構(gòu)也比較簡單，且理論自噪聲為0。對于水下高頻弱信號的接收，是一種比較好的濾波方法。

2.2 LC無源濾波器的制作

根據(jù)濾波器的設(shè)計步驟，由歸一化LPF設(shè)計出了與帶通濾波器等效的LPF，然后將其轉(zhuǎn)換為待設(shè)計的BPF。轉(zhuǎn)換原則為：（1）將低通的每個電容并聯(lián)一個電感，使得諧振頻率為中心頻率f0。（2）將低通的每個電感串聯(lián)一個電容，使得諧振頻率為f0。而電感與電容的匹配也成為了制作LC濾波器的難點?？偠灾?，在制作過程中，LC濾波器的制作主要有兩個步驟：

（1）電容的選擇。由于沒有所需要的電容值，因而使用Agilent阻抗分析儀在頻率為100 kHz的條件下測得實際電容值的大小進行選擇，通過電容的并聯(lián)盡量達到電路中電容的要求。

（2）電感線圈的制作。制作外徑為6 mm，內(nèi)徑為3 mm，高為3 mm且磁通量μ值為4 000，磁芯為3.671 mH與 1.583 mH的電感；外徑為7 mm，內(nèi)徑為 4 mm，高為3 mm 且 μ 值為 2 000，磁芯為 180.1 μH 與 408.1 μH 的電感。使用Agilent阻抗分析儀在頻率為100 kHz的條件下測出電感線圈實際的大小及阻抗值。根據(jù)計算和實際電路的調(diào)試，適當(dāng)改變電感值，使其與電容值相匹配，確保電感與串聯(lián)或并聯(lián)的電容諧振頻率為f0。

3 濾波器的噪聲分析

在電路中最多考慮的是電路中等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲。電壓噪聲的噪聲密度為，

其中，k是波爾茲曼常數(shù)，T是電阻溫度，以絕對溫度K計量。在頻帶寬度為BW內(nèi)產(chǎn)生的熱噪聲的電壓均方值為

3.1 LC濾波器電路的噪聲

理想的電抗元件不會產(chǎn)生噪聲，因此在理想情況下LC濾波器的噪聲為零，對濾波器來說這無疑是最好的。但實際電抗元件是有損耗電阻的，這些損耗電阻將會產(chǎn)生噪聲。在實際情況下，電感的損耗電阻是不能忽略的，而電容的損耗電阻一般可以忽略不計[5]。

采用Y參數(shù)分析系統(tǒng)函數(shù)如圖5所示，Yi參數(shù)的表達式如下：

圖5 LC濾波器噪聲電路的Y參數(shù)圖(Y0為噪聲元件)

圖5中導(dǎo)納Y0產(chǎn)生的噪聲電壓為U0i，假定其他元件均為無噪聲元件，計算輸出電壓噪聲E0的電路圖E0=U0iG0（s）。 根據(jù) KCL 和 KVL，可以得到其傳遞函數(shù) G0（s）為：

同理可以假定其他元件為無噪聲元件，如圖6所示，得Y1、Y2產(chǎn)生噪聲電壓 U1i、U2i，輸出的噪聲電壓分別為 E1、E2。 其傳遞函數(shù) G1（s）、G2（s）為：

而Y3、Y4的輸出傳遞函數(shù)由電路圖可知均為1：

圖6 LC濾波器噪聲電路的Y參數(shù)圖(Y1、Y2為噪聲元件)

由于電抗元件的損耗電阻與頻率、線圈線徑、線圈層數(shù)等多種因素有關(guān)，因此目前還沒有有效的線圈電感阻抗計算公式。最簡便的方法就是利用阻抗分析儀測得所制作電感線圈的損耗電阻，并計算其噪聲電壓。表1所示為實際損耗電阻，每種電感線圈分別制作了8個用以求出平均值。在溫度為27℃（約300 K）、帶寬40 kHz計算電阻產(chǎn)生的噪聲電壓也即熱噪聲的均方值電壓。通過噪聲的計算公式（2），可以得到噪聲的電壓均方值。使用Agilent阻抗分析儀在100 kHz下測得線圈的損耗電阻值如表1所示。

表1 電感損耗阻值 （Ω）

通過計算得到|G0（s）|<<1，因此輸入電阻的噪聲很小，可以忽略。｜G1（s）｜=｜G2（s）｜<1/2，｜G1（s）｜=｜G2（s）｜=1。因此計算的最大輸出噪聲電壓均方根值為：

3.2 有源濾波器電路噪聲分析

在一般的放大器電路中存在 5種噪聲源[6]：散粒噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲、爆裂噪聲和雪崩噪聲。對于運算放大器內(nèi)部的噪聲是通過內(nèi)部等效來描述[6]：運算放大器內(nèi)部可視為一個理想的無噪聲運算放大器的同相輸入端串聯(lián)一個噪聲電壓源en，同相、反相輸入端到地分別串聯(lián)一個噪聲電流源inp、inn來表征內(nèi)部噪聲。把噪聲模型添加到濾波器電路中，分析電路產(chǎn)生的噪聲，e1、e2、e3分別為電阻R1、R2、R3產(chǎn)生的噪聲電壓，如圖7所示。

圖7 運算放大電路噪聲模型

E1、E2、E3、En、Enp、Enn分 別 是 R1、R2、R3、en、inp與 inn產(chǎn)生的噪聲電壓。所以放大器內(nèi)部噪聲電壓的均方根值為：

將運放的噪聲模型添加到實際帶通濾波器中，并且在實際電路中采用高速、低功耗運算放大器AD849[7]，該芯片具有良好高頻性能，其噪聲參數(shù)為電壓噪聲3 nV/rtHz，電流噪聲 1.5 pA/rtHz，結(jié)合實際電路計算出有源濾波器的噪聲。經(jīng)過計算可以得到噪聲電壓均方根值約為1.31×10-5V。芯片工作時由于溫度的升高，噪聲電壓值將會增大。

隨著科學(xué)技術(shù)的提高，現(xiàn)代電子技術(shù)的日益成熟，集成電路得到了迅猛發(fā)展，所以現(xiàn)在已經(jīng)有了帶通濾波器集成芯片的產(chǎn)生?，F(xiàn)代濾波器的芯片類型主要是由MAXIM 公司推出的 MAX260、MAX267、MAX274等?？梢愿鶕?jù)集成濾波芯片設(shè)計帶通濾波器，但是它所設(shè)計的也是一種有源濾波器，與有源濾波器具有相似的噪聲分析，因此在這里不做進一步討論。通過兩種濾波器的比較可以得出，無源LC濾波器除了本身系統(tǒng)穩(wěn)定外，而且電路簡單易于設(shè)計，底噪聲較小，可以提高整個電路的性能，從而更好地完成中高頻濾波。

水下信號接收是對海洋技術(shù)研究的重要基礎(chǔ)。而噪聲是信號接收機的重要參數(shù)，特別是對設(shè)計一款精密的信號調(diào)理機來說，信噪比決定了靈敏度，噪聲越小，信號接收機的靈敏度越高。本文闡述了一個具有低噪聲多級放大電路的信號調(diào)理機，并研究了一款具有低噪聲的LC無源帶通濾波器。基于對噪聲的分析，給出了系統(tǒng)的測試結(jié)果，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性高且可控動態(tài)范圍在40 dB～120 dB之間。對于研究自噪聲小，動態(tài)范圍大且精度高的水下接收機具有重要的意義。

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