用于檢測[1f]電噪聲的低噪聲放大器設(shè)計與仿真

摘 要： [1f]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[1f]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(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。針對[1f]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。

關(guān)鍵詞： [1f]噪聲； 極低頻； 高增益； 低噪聲放大器

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0080?04

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

放大器設(shè)計目標(biāo)是放大已提取出的[1f]信號，同時降低放大器本身的[1f]噪聲。[1f]噪聲信號具有以下特點(diǎn)：頻率范圍低，頻率越低幅度越大，最低頻率極低，可小于1 Hz，電壓幅度在10-7～10-5 V之間[2]。因此可以確定放大器為超低頻放大器，且輸入信號幅度為μV量級。已知放大器的帶寬增益積為定值，而[1f]信號的頻帶范圍較窄，所以可以通過合理的降低帶寬，來增加放大器的增益，更好地放大微弱信號。

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(shí)現(xiàn)的。因此，采用多級放大來進(jìn)行設(shè)計[3]。根據(jù)費(fèi)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：

[F=F1+F2-1K1+F3-1K1K2+…+FN-1K1K2…KN] （1）

式中：FN為各級的噪聲系數(shù)；KN為各級的增益。費(fèi)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。

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(qiáng)的特點(diǎn)[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(yùn)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(shí)驗(yàn)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。

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(qiáng)，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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，使信號不失真放大。實(shí)驗(yàn)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。

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(diǎn)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(yùn)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)挘瑵M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(diǎn)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(diǎn)數(shù)設(shè)為10，勾選Temperature Sweep，將溫度設(shè)置為25 ℃，進(jìn)行仿真。

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。

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。

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。

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。

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

2.3 放大[1f]信號的仿真分析

根據(jù)[1f]信號特性，由其頻域進(jìn)行快速傅里葉變換FFT，得到時域波形。根據(jù)波形及采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，用折線波信號源VPULSE仿真出[1f]信號源作為輸入，其輸入/輸出波形如圖11所示，因此可確定放大器放大[1f]波形型信號的可行性。

2.4 噪聲系數(shù)計算

系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為：

[FN=10lgEni24KTRS=20lgEni4KTRS] （2）

式中：K為波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23 J/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=0.75 [nVHz]，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(qiáng)。

放大器整體的等效輸入噪聲Eni=1.12 [nVHz]，計算系統(tǒng)在10 Hz處的噪聲系數(shù)：FN=1.80 dB。

3 結(jié) 語

本文針對放大[1f]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(shí)驗(yàn)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1.12 nV/[Hz]，噪聲系數(shù)為1.80 dB?？梢詫?shí)現(xiàn)對[1f]低頻電噪聲信號的低噪聲放大功能。

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