增益可控低噪聲前置放大器設(shè)計(jì)

趙德春+王露+白寶平+皮喜田

摘 要： 設(shè)計(jì)一種具有溫度補(bǔ)償、增益可控的低噪聲前置放大器。該放大器采用級聯(lián)放大，每一級通過繼電器改變信號通路，從而達(dá)到控制增益的目的。在放大器的設(shè)計(jì)中采用噪聲抑制和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并對原電路使用閉環(huán)控制進(jìn)行優(yōu)化，既實(shí)現(xiàn)了增益可調(diào)，增益控制范圍為10～60 dB，又保證了良好的增益平坦度和優(yōu)秀的噪聲抑制能力。通過仿真和實(shí)際電路波形測試，表明該放大器僅有9 μV/℃溫度漂移和等效輸入噪聲電壓，總諧波失真小于1.2%，能放大μV級DC～50 MHz帶寬信號。

關(guān)鍵詞： 前置放大器； 溫度補(bǔ)償； 級聯(lián)放大； 噪聲抑制

中圖分類號： TN722.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）24?0137?04

Abstract： A low?noise pre?amplifier with temperature compensation and controllable gain was designed. The cascade amplification mode is adopted in the amplifier. The signal channel is changed by means of the relay in each cascade stage to control the gain. The noise suppression and temperature compensation technologies are used in the design of the amplifier. The closed?loop control method is utilized to optimize the original circuit， which can realize the gain adjustability （the gain controlled range is 10～60 dB）， and ensure the perfect gain flatness and excellent noise suppression ability. The results of simulation and practical circuit waveform testing show that the amplifier only has the temperature drift of 9 μV/℃， the equivalent input noise voltage of and the total harmonic distortion of less than 1.2%， and can amplify the DC～50 MHz bandwidth signal in μV stage.

Keywords： pre?amplifier； temperature compensation； cascade amplification； noise suppression

0 引 言

前置放大器實(shí)質(zhì)上是一個小信號放大器，常常用于放大微弱信號[1]，由于微弱信號難于檢測和易受干擾的特性，因此前置放大器必須具有低噪聲、強(qiáng)抗干擾、增益穩(wěn)定的特性[2]。隨著電子技術(shù)的集成化發(fā)展，越來越多的電路設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器[3]?；诩蛇\(yùn)放的電路設(shè)計(jì)比基于分立元件的設(shè)計(jì)具有更加簡潔，更強(qiáng)抗干擾能力，便于調(diào)試的特點(diǎn)[4]。傳統(tǒng)的信號放大電路噪聲較大，增益小且多為定值，無法抑制溫度漂移，本設(shè)計(jì)不僅具有優(yōu)秀的噪聲抑制能力和溫度補(bǔ)償功能，而且增益可由手動開關(guān)或I/O口控制，實(shí)現(xiàn)了10～60 dB范圍增益調(diào)節(jié)。

1 噪聲優(yōu)化

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。在前置放大器電路中，噪聲主要由運(yùn)放失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫度漂移、電阻熱噪聲等因素產(chǎn)生[5]。因此本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)放大電路的基礎(chǔ)上，增加了調(diào)零電路和溫漂抑制電路，減少了噪聲對信號干擾，提高信號傳輸過程中的信噪比[6]。

1.1 電流噪聲優(yōu)化

運(yùn)放的電流噪聲主要是由輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流引起[7]，如圖2所示。

輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流分別為：

將電路的有源輸入都置為零的話，則利用疊加定理可得：

由式（3）可見，雖然沒有任何輸入，但電路仍產(chǎn)生了直流噪聲，假設(shè)：

那么就可以消除輸入偏置電流引起的誤差，最后可得：

式中，通過縮小運(yùn)放外圍電阻可以進(jìn)一步降低，因此，運(yùn)放外圍電阻不宜過大，一般在幾十到數(shù)百歐姆范圍內(nèi)選取。

1.2 電壓噪聲優(yōu)化

當(dāng)運(yùn)算放大器輸入端短接時，為了使，加在輸入端的電壓稱為輸入失調(diào)電壓，如圖2所示，由輸入失調(diào)電壓引入的輸出誤差為：

為此，本設(shè)計(jì)采用如圖3所示的失調(diào)電壓調(diào)零電路。

在調(diào)零電路中，通過調(diào)零電位器W2和W1，調(diào)節(jié)的值使得與相抵消。

1.3 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

由于溫度變化，運(yùn)放產(chǎn)生的溫度漂移會在電路中產(chǎn)生失調(diào)電壓[8?9]，尤其是對于多級放大的前置放大器，每一級因溫漂產(chǎn)生的誤差都會被后級電路放大，對信號造成嚴(yán)重干擾。因此，為了抑制溫度漂移帶來的噪聲，本設(shè)計(jì)采取了如圖4所示的溫漂補(bǔ)償電路。

在電路中，U1與U3是相同的運(yùn)放，U1是一個電壓跟隨器，當(dāng)溫度變化時，U1產(chǎn)生的電壓噪聲經(jīng)過反向放大器AD706反向放大后接入U(xiǎn)3的同向端，補(bǔ)償U(kuò)3及后續(xù)電路因溫度漂移產(chǎn)生的誤差，AD706單元本身是一個低通濾波器，會將信號帶寬以外的高頻噪聲濾除，保證接入U(xiǎn)3的只是因溫度漂移產(chǎn)生的誤差信號，且AD706在0～70 ℃都具有極低溫度漂移，避免了由AD706引入額外的噪聲。

2 增益控制電路設(shè)計(jì)

通過繼電器選擇不同信號通路來達(dá)到控制增益的目的。在前置放大器中，一共有6級放大，每級增益0或10 dB，為了減小誤差，第一級放大級設(shè)置為固定增益10 dB，因此前置放大器的增益變化范圍是10～60 dB。前置放大器增益控制原理如圖5所示。圖5為前置放大器增益控制原理圖。該前置放大器增益通過手動開關(guān)或I/O口控制。手動控制開關(guān)和方式選擇開關(guān)一起組成單刀多擲的增益開關(guān)。當(dāng)增益開關(guān)撥到1時，3?8譯碼器使能，此時可通過I/O口控制放大器增益，此時的增益調(diào)整范圍為10～60 dB。增益開關(guān)撥到2～6 時，增益分別為20 dB，30 dB，…，60 dB。

3 電路改進(jìn)

由于電阻熱噪聲，過程的變化以及電源波動等[10]，即使采用了溫漂補(bǔ)償和噪聲優(yōu)化，信號仍然會出現(xiàn)不同程度的失真，增益精度較差，電路仿真波形如圖6所示。

圖6描述了當(dāng)輸入為100 kHz，1 mV的正弦波信號時整個電路的輸出波形。為此對原有電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，對整個放大電路加入了反饋回路，圖7為改進(jìn)后的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

式中，為第n個放大節(jié)點(diǎn)引入的噪聲，在傳輸過程中會和前一級傳輸來的信號一起被放大。若沒有負(fù)反饋，則該噪聲在輸出信號中的值為，引入負(fù)反饋后，～受到從輸入到干擾本身進(jìn)入點(diǎn)之間所具有的正向增益的衰減，在輸出信號中的值為，而的值大于1，因此通過引入反饋回路，電路噪聲得到有效抑制。

整放大器增益。當(dāng)增益開關(guān)撥到1檔，同時讓譯碼器的輸出全為零時，此時圖8中的第一級 放大器的放大倍數(shù)α為一固定值，適當(dāng)調(diào)整電位器W6，從而調(diào)整反饋系數(shù)β的值，將總增益A精確調(diào)整至10 dB。同理，當(dāng)增益開關(guān)撥到2檔時，調(diào)整電位器W1將增益調(diào)至20 dB，這樣依次調(diào)整電位器W2，W3，W4和W5，保證每檔的增益依次為10 dB，20 dB，30 dB，40 dB，50 dB，60 dB。加入反饋回路后，既增強(qiáng)了電路噪聲抑制能力，又保證了信號增益精度和平坦度。改進(jìn)后電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。圖9是改進(jìn)后不同增益和不同頻率下信號仿真波形。

通過示波器、頻譜分析儀和諧波分析儀進(jìn)行電路實(shí)際測驗(yàn)，結(jié)果顯示實(shí)測波形穩(wěn)定性好、噪聲小，無明顯失真。圖10為改進(jìn)后放大器實(shí)物和實(shí)測波形。

由實(shí)際測量參數(shù)得知，前置放大器輸出波形與改進(jìn)后電路仿真結(jié)果吻合，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到了預(yù)定指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文從放大器基本原理出發(fā)，詳細(xì)闡述了增益可控低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法。

設(shè)計(jì)的前置放大器溫漂僅為9 μV/℃，增益調(diào)節(jié)范圍為10～60 dB，工作帶寬為0～50 MHz，增益最大時的等效輸入電壓噪聲和電流噪聲分別為10 nV/和6.0 pA/，總諧波失真小于1.2%，增益精度在0.3 dB以內(nèi)，具有良好的性能指標(biāo)，適用于低噪聲寬帶寬高增益微弱信號的放大。

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