用于檢測1/f電噪聲的低噪聲放大器設(shè)計與仿真

李一帆，郭樹旭，郜峰利

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

用于檢測1/f電噪聲的低噪聲放大器設(shè)計與仿真

李一帆，郭樹旭，郜峰利

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

1/f低頻電噪聲是評估半導(dǎo)體器件質(zhì)量和壽命的一個重要因素。由于1/f低頻電噪聲極其微弱，為了檢測它，同時最大程度降低放大器的本底噪聲，低噪聲放大器的設(shè)計和實現(xiàn)是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。針對1/f低頻電噪聲信號的特性，在現(xiàn)有低噪聲放大器基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計出一款頻率極低的低噪聲放大器，在0.1 Hz～100 kHz頻率下具有高增益和低噪聲特性。仿真結(jié)果表明，在10 Hz處噪聲系數(shù)達(dá)到1.80 dB。

1/f噪聲；極低頻；高增益；低噪聲放大器

隨著通信、生物等眾多領(lǐng)域?qū)ξ⑷跣盘枡z測的要求日益提高，放大器對低噪聲的要求已成為弱信號檢測的重要課題之一。放大器的本底噪聲對微弱信號的影響不可忽視，低頻段噪聲對被測1f信號影響最大，因此必須對低頻段的本底噪聲進(jìn)行有效地抑制[1]。當(dāng)前國內(nèi)對低頻低噪聲放大器的研究較少、難度較大，并且應(yīng)用于1f電噪聲信號放大并不理想，具體表現(xiàn)為帶寬下限的最低頻率不夠低，以及對極低頻率噪聲的抑制不夠好。因此，本文針對放大1f電噪聲信號，進(jìn)行放大器的低噪聲設(shè)計。

1 放大器的低噪聲設(shè)計

1.1 放大器設(shè)計原理

在滿足增益以及帶寬特性的同時，降低放大器的本底噪聲，只采用一級放大是不能實現(xiàn)的。因此，采用多級放大來進(jìn)行設(shè)計[3]。根據(jù)費里斯公式可知，級聯(lián)放大器的總噪聲系數(shù)F有如下關(guān)系：

式中：FN為各級的噪聲系數(shù)；KN為各級的增益。費里斯公式說明級聯(lián)放大器中各級的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的影響是不同的，越是前級影響越大，第一級影響最大。因此，在設(shè)計用于微弱信號的低噪聲放大器時，必須確保第一級的噪聲系數(shù)足夠小[4]。

另外，為了更好地抑制漂移，以及降低干擾，應(yīng)盡量

選用高精度器件，精密的穩(wěn)壓源，采用高阻值電阻，并且選取適當(dāng)?shù)妮斎敕绞?。為了提高電路的最大不失真輸出電壓，?yīng)盡量減少三極管的數(shù)量。設(shè)計原理框圖見圖1。

圖1 設(shè)計原理框圖

輸入端放大器件選用結(jié)型場效應(yīng)管JFET，具有輸入阻抗高、噪聲系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、防輻射能力強的特點[5?7]。二級放大為儀表放大器，儀表放大器為一種特殊的放大器結(jié)構(gòu)，由3個運算放大器構(gòu)成，具有非常低直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開路增益、非常大的共模抑制比、高輸入阻抗，通常用于需要精確性和穩(wěn)定性非常高的電路[8]。經(jīng)設(shè)計后的放大器可將本底噪聲抑制到nV量級，同時，在1 Hz～500 kHz范圍內(nèi)增益高達(dá)80 dB。

1.2 實驗電路的仿真分析

根據(jù)設(shè)計原理設(shè)計出放大器的原理圖，其電路仿真原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

1.3 典型電路分析

1.3.1 JFET差分放大

JEET原理圖如圖3所示，J1，R1，R4，C1和J11，R11，R5，C11對稱，兩個JFET構(gòu)成差分放大結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強，能夠很好地抑制漂移，降低本底噪聲，提高輸入端噪聲性能。

R2和C2具有濾波作用，經(jīng)實驗測試，C2為10 pF時，最高頻率可高達(dá)1 MHz，C2越高，最高頻率越低。R3作用在于調(diào)整電路放大倍數(shù)，以及為下一級提供偏置，經(jīng)計算取值680 Ω。信號經(jīng)JFET差分電路反向放大，輸入至下一級。

1.3.2 PNP反相器

如圖4所示，R6，R7以及上一級的R3，為PNP提供靜態(tài)工作點，使信號不失真放大。實驗測試表明，將R6，R7從10 kΩ量級提高至100 kΩ量級，噪聲效果有顯著提升，等效輸入噪聲能夠降低13。反向后的信號經(jīng)C14和R10構(gòu)成的濾波器，輸出至下一級。

通常情況三極管過多會降低放大器的最大不失真輸出電壓，因此本級只采用一個三極管作為反相器，將第一級反相放大的信號變?yōu)榕c輸入級同相的信號。

圖3 JFET差分放大電路

1.3.3 儀表放大器模塊

電路如圖5所示，其中一個同相端輸入信號，另一同相端接地，此種輸入方式為偽差分輸入。相對于差分輸入方式，其優(yōu)點在于在偽差分模式下，負(fù)端輸入是不隨時間變化的，僅僅是一個參考值。因此能夠減小信號與設(shè)備的參考地電位不同所造成的影響，提高了測量的精度。

圖4 PNP反相器

圖5 儀表放大器電路

圖5中R21和R22，R33以及R24，R25和R26，R27決定了儀表放大器的增益，經(jīng)測試，圖示阻值可使總增益達(dá)到80 dB。而儀表放大器選用美信公司的MAX412和MAX410作為核心運算放大器芯片，其性能優(yōu)秀：電壓增益高，轉(zhuǎn)換速率快，供電的電流低至2.5 mA，供電的電壓低至±2.4～±5 V，具有28 MHz的增益帶寬，噪聲系數(shù)低，在1 kHz頻率時的輸入電壓噪聲密度[9]低于2.4 nV。在80 dB增益下，通頻帶較第一級足夠?qū)?，滿足設(shè)計要求。

2 仿真分析及仿真結(jié)果

設(shè)計中選取PSpice為仿真軟件，對電路的特性進(jìn)行分析。

2.1 時域分析

輸入信號選取VSIN，選取Time Domain類型，仿真時間10 ms，勾選Temperature Sweep，將溫度設(shè)置為25℃，進(jìn)行仿真。通過調(diào)整VSIN的交流分量，可以分析出放大器的最大不失真輸出電壓為0.1 mV，當(dāng)輸入信號為1 nV時，可明顯看出零點漂移為3.5 μV，電路放大倍數(shù)約為10 000倍，可分析出電路將漂移抑制到0.35 nV，因此可知放大器正常工作的電壓輸入范圍為0.01～100 μV，圖6為1 μV輸入時的輸出波形。

2.2 頻域分析

在VAC選取1 μV的條件下，進(jìn)行AC Sweep/Noise類型仿真，掃描類型選取Log，起始頻率設(shè)為0.1 Hz，結(jié)束頻率設(shè)為1 MHz，單位取樣點數(shù)設(shè)為10，勾選Temper?ature Sweep，將溫度設(shè)置為25℃，進(jìn)行仿真。

圖6 1 μV輸入條件下的輸出波形

2.2.1 增益特性

對DB（V（OUT）/V（IN））進(jìn)行追蹤，頻率響應(yīng)如圖7所示，可知放大器增益為80 dB，-3 dB通頻帶為0.1 Hz～ 500 kHz，滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

圖7 頻響特性曲線

2.2.2 噪聲特性

對V（INOISE）/SQRT（Frequency）進(jìn)行追蹤，所得等效輸入噪聲曲線如圖8所示，可分析得出噪聲特性如表1所示，仿真出的噪聲特性十分良好。由于噪聲的功率譜密度隨頻率變化呈現(xiàn)冪指數(shù)變化，當(dāng)頻率過高時，單位頻率下的等效輸入噪聲已經(jīng)衰減至很低，并且輸入的1f電噪聲信號的高頻分量很小，所以取100 kHz作為上限截止頻率進(jìn)行分析。

表1 等效輸入噪聲的頻率特性

2.2.3 熱穩(wěn)定性

在Temperature Sweep設(shè)置-40℃，25℃，75℃三個溫度調(diào)節(jié)，進(jìn)行仿真。

圖8 等效輸入噪聲曲線

增益特性如圖9所示，可知溫度由低到高變化時，增益隨之變大，但帶寬比較穩(wěn)定，0.1 Hz～500 kHz。

圖9 不同溫度下的頻響曲線

噪聲特性如圖10所示，當(dāng)溫度變化時，等效輸入噪聲特性幾乎不變，具有較高的穩(wěn)定性。

圖10 不同溫度下的輸入噪聲特性曲線

在商業(yè)級的溫度條件下，放大器熱穩(wěn)定性較好，可以在0.1 Hz～100 kHz下保持良好的性能

2.4 噪聲系數(shù)計算

系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為：

式中：K為波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K；T取室溫300 K； RS取50 Ω；Eni為單位頻率下的等效輸入噪聲，通過Pspice頻域分析，可獲取單一頻率下的等效輸入噪聲。在10 Hz時，第一級JFET放大器等效輸入噪聲Eni=，計算出第一級的噪聲系數(shù)F1=-1.68 dB，說明第一級放大對本底噪聲的抑制能力非常強。

圖11 放大1/f信號的仿真

3 結(jié)語

本文針對放大1/f電噪聲信號，提出了抑制本底噪聲的方法并設(shè)計仿真，第一級為超低噪聲低增益放大，第二級為高增益低噪聲放大。仿真實驗證明，該放大器在1 Hz～500 kHz下增益可高達(dá)80 dB，且具有良好的噪聲特性，在10 Hz處的噪聲可低至，噪聲系數(shù)為1.80 dB?？梢詫崿F(xiàn)對1f低頻電噪聲信號的低噪聲放大功能。

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Design and simulation of low?noise amplifier for detection of 1/felectrical noise

LI Yi?fan，GUO Shu?xu，GAO Feng?li
（College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China）

1flow frequency electrical noise is the key factor to evaluate quality and service life of semiconductor devices. In order to detect1fnoise and reduce background noise to a maximum degree，the design and implementation of low?noise amplifier are the vital links because1fnoise is extremely weak.According to the characteristics of 1flow frequency electri?cal noise，an extremely low?frequency low?noise amplifier was designed on the basis of optimization of amplifier available.The new amplifier has good performance in high?gain and low?noise at the frequency between 0.1 Hz to 100 kHz.The result of the simulation indicates that the noise factor is 1.80 dB at 10 Hz.

1fnoise；extremely low frequency；high gain；low noise amplifier

TN710?34

A

1004?373X（2015）04?0080?04

李一帆（1990—），男，碩士。研究方向為信號檢測。

2014?08?15

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金：高功率半導(dǎo)體激光器1/f噪聲特性及其檢測新方法研究（61204055）