星載感應(yīng)式磁力儀前置放大電路的研究與進(jìn)展

許 明，王先榮，王 鹢

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

感應(yīng)式磁力儀是地震電磁監(jiān)測類衛(wèi)星上的重要載荷之一，由于在軌飛行工作環(huán)境的特殊性，以及未來小型化衛(wèi)星設(shè)計(jì)對星上載荷的質(zhì)量和功耗的限制，對于星載感應(yīng)式磁力儀而言，其前置放大電路的噪聲性能是在其設(shè)計(jì)質(zhì)量和功耗上的一種折衷。

對于各種微弱的被測量，如弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微流量、微壓力、微振動、微溫差等，一般都是通過相應(yīng)的傳感器將其轉(zhuǎn)換為微電流或低電壓，再經(jīng)過前置放大電路放大其幅度，以期指示被測量的大小[1]。由于被測量的信號微弱，傳感器的本底噪聲、放大電路及測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲往往要比有用信號的幅度大得多，放大被測信號的同時(shí)也放大了噪聲，必然會附加一些額外的噪聲，如放大電路的內(nèi)部固有噪聲和各種外部干擾噪聲，因此只靠放大是不能把微弱信號檢測出來的。只有在有效地抑制噪聲的條件下，增大微弱信號的幅度，才能提取出有用信號[2-3]。這便是研制低噪聲前置放大電路的目的所在。

磁傳感器的噪聲源較多，主要有電阻的熱噪聲、運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲。由于微弱磁場量級較小，則需要優(yōu)化放大電路噪聲水平。同時(shí)，感應(yīng)式磁力儀輸入阻抗較大，要求前置模擬電路電壓噪聲、電流噪聲較低。普通的低噪聲前置放大電路一般為晶體管輸入，電流噪聲較大，1/f轉(zhuǎn)折頻率較高，難以滿足使用需求[4-8]。前置放大電路最主要的功能就是放大來自探測器的信號，盡可能低的產(chǎn)生附加噪聲貢獻(xiàn)。因此，如何控制和降低噪聲，這是研制前置放大電路最為主要的問題。

1 前置放大電路的研究

在多數(shù)大地震發(fā)生前，均在震中及其臨區(qū)發(fā)現(xiàn)過大量與電磁波有關(guān)的異?，F(xiàn)象，這些電磁場的變化會最終反映在大氣的電離層中，因此使用衛(wèi)星監(jiān)測電離層變化，可以為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震提供參考。

1.1 DEMETER衛(wèi)星

2004年6月29日，法國發(fā)射了一顆名叫DEMETER的地震衛(wèi)星，這是一顆專門服務(wù)于地震監(jiān)測的衛(wèi)星[9]。其質(zhì)量在132 kg左右，體積和一個洗衣機(jī)差不多，主要載荷有感應(yīng)式磁力儀、電場探測儀、等離子體分析儀、Langmuir探針和粒子探測儀。該衛(wèi)星自發(fā)射以來研究成效顯著，已積累了許多觀測數(shù)據(jù)資料，為地震電磁耦合機(jī)理、地震前兆信息研究提供了寶貴的資料，在業(yè)內(nèi)頗受關(guān)注。

DEMETER衛(wèi)星上的感應(yīng)式磁力儀的測量范圍是1 Hz～20 kHz，噪聲水平為4 fT/Hz-1/2@6 kHz，三軸線圈和支架共有430 g。此設(shè)計(jì)有一個300 mm長的磁核心，噪聲水平為14 fT/Hz-1/2@300 kHz，質(zhì)量為235 g，如圖1所示。

圖2為磁力儀上感應(yīng)線圈和前置放大電路的原理圖?？梢钥闯?，前置放大電路的輸入級包含了由低噪聲NJFET晶體管（2SK3320）和低功率運(yùn)算放大器（LT1352）組成的一個差分對。為了使最小功率更小，設(shè)置了一個0.43 mA的電流源（SST502），讓電流通過這兩個晶體管。在這種設(shè)計(jì)下，前置放大電路的輸入電壓噪聲是3 nV/Hz-1/2@10 Hz。2SK3320晶體管形成的差分輸入階段，測得的直流增益為30。當(dāng)增益為30時(shí)，2SK3320的輸入噪聲在LT1352的輸入端出現(xiàn)了90 nV/Hz-1/2的差別。這使得運(yùn)放14 nV/Hz-1/2的噪聲對于電路總的噪聲貢獻(xiàn)是可以忽略不計(jì)的。第一級的直流增益由比例R2/R1固定（50 dB）。信號被第二級進(jìn)一步放大（20 dB）。第二運(yùn)放的正端輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)要與負(fù)端輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)相匹配，這樣能夠移除運(yùn)放輸入偏執(zhí)電流隨太空輻射漂流帶來的影響，直流成分通過電容C2阻隔。

圖1DEMETER三分量感應(yīng)式磁力儀實(shí)物圖Fig.1 Three-axis search coil magnetometer

圖2 感應(yīng)線圈和前置放大電路的原理圖Fig.2 Electrical schematic of search-coil and preamplifier

前置放大電路的噪聲源主要是電阻熱噪聲和晶體管的熱噪聲以及1/f噪聲，如圖3所示。其中，ent代表前置放大電路的總噪聲；er代表搜索線圈、金屬絲電阻和磁損耗熱噪聲；eni代表在INP處的電壓噪聲（包含有1/f噪聲）；er1r2代表增益電阻R1、R2的熱噪聲；eisc代表電流噪聲產(chǎn)生的電壓噪聲；erfb代表負(fù)反饋電阻Rfb產(chǎn)生的噪聲。含有噪聲源的搜索線圈和前置放大電路的原理，如圖4所示。事實(shí)上，在1 Hz和10 Hz之間，輸入晶體管的1/f噪聲是主要的噪聲來源。對于運(yùn)放的輸入電流噪聲和輸入電壓噪聲，運(yùn)放輸入電流噪聲不會對電路的噪聲性能造成影響；同時(shí)，可以通過增加電流源或者并聯(lián)輸入晶體管的方式，改善輸入電壓噪聲。噪聲的增益主要由第一級提供，不考慮第二級。設(shè)計(jì)人員認(rèn)為第二級的噪聲貢獻(xiàn)會反饋回前置放大電路的輸入端，其噪聲貢獻(xiàn)是可以忽略不計(jì)的?；谪?fù)反饋技術(shù)的線圈和前置放大電路第一級的等效電路原理，如圖5所示。

圖3 對前置放大電路輸入端的噪聲評估圖Fig.3 Estimated noise contributions at preamplifier input

圖4 含噪聲源的前置放大電路圖Fig.4 Equivalent circuit of search coil and preamplifier with noise sources

圖5 前置放大電路第一級的等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of the coil and preamplifier first stage

負(fù)反饋的作用是使共振頻率附近的頻率響應(yīng)變得平坦，也會在在軌飛行期間在主線圈上提供一個刻度信號以核實(shí)傳感器和前置放大電路的自身功能。從1～200 Hz，響應(yīng)與頻率成比例；從1～10 kHz，響應(yīng)不與頻率成比例，如圖6所示。

圖6 負(fù)反饋增益放大電路（上有反饋、下無反饋）的頻率響應(yīng)曲線Fig.6 Frequency response of search-coil with unity gain preamplifier（bottom）and flux feedback preamplifier（top）.Thick line：Measurement;Thin line：Simulation

1.2 THEMIS衛(wèi)星

2007年2月17日，美國NASA發(fā)射了一顆THEMIS（The Time History of Events and Macroscale Interactions During Substorms）衛(wèi)星[10-12]，用于研究地球磁層亞暴的產(chǎn)生和大規(guī)模演變機(jī)理。星上的感應(yīng)式磁力儀的性能指標(biāo)包括頻帶0.1～4 kHz，靈敏度1 V/nT，噪聲0.85 pT/Hz-1/2@10 Hz、15 fT/Hz-1/2@1 kHz，功耗800 mW，質(zhì)量600 g。

圖7為前置放大電路實(shí)物圖，上面的三個相同的立方體為三路傳感器的前置放大電路，第四個為功率調(diào)節(jié)器，均采用MCM-V技術(shù)（多芯片組件垂直技術(shù)）制成。這個盒子的大小為95 mm×81 mm（包含耳朵為109 mm）×30 mm，質(zhì)量為200 g。在PCB板層間加入了鉭板材，這些板材僅被放置于部件的頂部和底部，用于防護(hù)輻射對于有效部件的影響。感應(yīng)式磁力儀前置放大電路的質(zhì)量為200 g，功耗為75 mW，動態(tài)范圍為100 dB（0.1 Hz～4 kHz）、測得最大的NEMI為0.760 pT/Hz-1/2@10 Hz、0.080 pT/Hz-1/2@100 Hz、0.022 pT/Hz-1/2@1 kHz。為了使來自線圈的自然響應(yīng)變得平坦加入了反饋網(wǎng)絡(luò)，有無反饋的頻率響應(yīng)結(jié)果，如圖8所示。

圖7 前置放大電路實(shí)物圖Fig.7 Preamplifier box

圖8 有無反饋（上無下有）的頻率響應(yīng)曲線Fig.8 Frequency response（transfer function）of the SCM with feedback（blue）and without（pink）

1.3 MMS衛(wèi)星

2015年3月12日，美國宇航局NASA發(fā)射了4顆“磁層多尺度”（MMS）磁層研究科學(xué)衛(wèi)星[13]。MMS任務(wù)旨在對磁重連現(xiàn)象進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)人員認(rèn)為感應(yīng)線圈天線的NEMI或靈敏度需要小于或等于2 pT/Hz-1/2@10 Hz、0.3 pT/Hz-1/2@100 Hz、0.05pT/Hz-1/2@1 kHz。SCM分辨率最終確定為0.15 pT/Hz-1/2@1 kHz。在整體要求下，SCM被分配的質(zhì)量為222 g，被分配的功耗為166 mW，最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的對應(yīng)指標(biāo)分別為206 g、130 mW。MMS/SCM的前置放大電路采用的是分立式元件形態(tài)，如圖9所示。

圖9MMS/SCM前置放大電路實(shí)物圖Fig.9 MMS/SCM preamplifier box

該低噪聲前置放大電路利用法國3D PLUS公司的多層垂直技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。每一個通道有兩級放大，第一級有一個低噪聲輸入和一個46 dB的增益，第二級有一個31.5 dB的增益并確保低阻高通。在設(shè)計(jì)上，將反饋引入到次級線圈中，這樣的設(shè)計(jì)能夠使自然頻率響應(yīng)變得平坦。此外，還能移除由溫度變化引起的相位變更。SCM的最終靈敏度為2 pT/Hz-1/2@10 Hz、0.18 pT/Hz-1/2@100 Hz、0.025 pT/Hz-1/2@1 kHz。引入反饋的感應(yīng)線圈等效電路，如圖10所示。

圖10 引入反饋的感應(yīng)線圈等效電路圖Fig.10 Principle of search-coil with feedback loop

1.4 低噪聲前置放大電路

2013年，法國的Rhouni等[4]研制了一種具有超低1/f噪聲的高靈敏度感應(yīng)式磁力儀，前置放大電路利用0.35 μm CMOS工藝集成，具有抗輻射性能。以復(fù)雜的機(jī)械集成制成的高度緊密電路僅有5 mm2的面積，硅芯片包含一個前置放大電路和其他功能電路，縮微攝影如圖11所示。為了使1/f噪聲超低，芯片的面積主要被前置放大電路的第一級差分對前置放大電路覆蓋。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，前置放大電路通過電阻Rfb產(chǎn)生一個反饋電流Ifb添加到次級線圈，然后在搜索線圈中產(chǎn)生一個相反的磁場，使得反響變得平坦。反饋由前置放大電路的第一級放大輸出到次級線圈，各級放大設(shè)計(jì)的原理，如圖12所示。

圖11 ASIC前置放大電路和其他功能電路的芯片縮微圖Fig.11 Microphotograph of the chip containing oneASIC preamplifier and other functions

圖12 各級放大的等效電路圖Fig.12 Preamplifier system design showing the different amplification stages

在設(shè)計(jì)方法和噪聲考慮方面，來自前置放大電路的噪聲會限制系統(tǒng)測量磁場低值的能力，這就是感應(yīng)式磁力儀的NEMI。描述為T/Hz-1/2的NEMI是根據(jù)與感應(yīng)式磁力儀的傳遞函數(shù)有關(guān)的輸出噪聲確定的。因此，前置放大電路的輸入?yún)⒖荚肼暡坏貌槐M可能的小。設(shè)計(jì)目標(biāo)是等效輸入噪聲為4 nV/Hz-1/2@10 Hz，放大器使用差分的結(jié)構(gòu)，功耗噪聲和其他共模噪聲是可以忽略的。為了抑制整個前置放大電路的輸入?yún)⒖荚肼?，一定要減小第一級放大的噪聲。因此，第一級放大被設(shè)計(jì)獲得超低熱噪聲和1/f噪聲。星載感應(yīng)式磁力儀的前置放大電路的噪聲源主要是電路中的電阻熱噪聲、MOS晶體管噪聲（在其有效范圍內(nèi)，主要有兩個噪聲源：熱噪聲和閃爍噪聲或者1/f噪聲）以及MOS晶體管制作工藝。從本質(zhì)上講，對前置放大電路的最重要的噪聲貢獻(xiàn)取決于第一級放大。ASIC前置放大電路的原理如圖13所示。

為了獲得最小的理想高放大閉環(huán)增益（80 dB：根據(jù)R1、R2、R3和R4確定），放大器必須有一個很高的開環(huán)增益（比閉環(huán)增益高）。因此，這三級依照的設(shè)計(jì)原則為：第一級有一個高的gm（跨導(dǎo)）（然后一個高的gmR）增益；第二級有一個高的gm增益和一個低的gds（1/R，R=100 kΩ）增益，gds取決于工作負(fù)載；第三級有一個很大的級聯(lián)工作負(fù)載（M12-M15）gds的超低值電阻R。

測試的結(jié)果顯示，前置放大電路可以得到一個輸入?yún)⒖荚肼? nV/Hz-1/2@10 Hz，一個輸入電流噪聲46 fA/Hz-1/2，其功耗為12 mW（比NASA/MMS的前置放大電路50 mW的1/4還小）。另外，當(dāng)此ASIC前置放大電路裝載在NASA/MMS的搜索線圈上時(shí)，得到的NEMI為2 pT/Hz-1/2@10 Hz。該設(shè)計(jì)說明，相比使用在空間任務(wù)的分立式元件，在CMOS技術(shù)下，ASIC所得到的性能，在噪聲和功耗方面，與分立式元件是相同的水平。

圖13 ASIC前置放大電路圖Fig.13 Schematic of theASIC search coil preamplifier.

國外對感應(yīng)式磁傳感器的研制起步早，主要有德國、加拿大、美國、烏克蘭等，國內(nèi)早在30多年前，就有學(xué)者提出了通過研究紅外、電磁衛(wèi)星檢測技術(shù)進(jìn)行地震監(jiān)測，因受當(dāng)時(shí)各方面技術(shù)條件的限制，未能開展相關(guān)工作。2005年，以國家863項(xiàng)目支持為標(biāo)志，正式開始了地震電磁衛(wèi)星的研究，并制定了相應(yīng)的研究計(jì)劃。主要研究單位有吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院[14]，北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院空間科學(xué)研究所（簡稱北航空間科學(xué)研究所），中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心等，其研制的感應(yīng)式磁力儀與國外水平相當(dāng)。2018年2月2日，我國第一顆專用于地球物理場探測的衛(wèi)星—張衡一號衛(wèi)星成功發(fā)射，星上感應(yīng)式磁力儀由北航空間科學(xué)研究所研制。

2 前置放大電路的分析

通過對DEMETER衛(wèi)星、THEMIS衛(wèi)星和MMS衛(wèi)星的研究，相比于使用在空間任務(wù)的分立式元件，在CMOS技術(shù)下，ASIC所得到的性能，在噪聲和功耗方面，與分立式元件是相同的水平，而ASIC的設(shè)計(jì)方式可以大幅減小前置放大電路的尺寸。因此，用ASIC的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行前置放大電路的設(shè)計(jì)必將得到快速發(fā)展。同時(shí)，對比DEMETER衛(wèi)星、THEMIS衛(wèi)星和MMS衛(wèi)星與Rhouni等設(shè)計(jì)的前置放大電路，可以發(fā)現(xiàn)，前置放大電路的輸入級噪聲對于整個電路的影響很大，多級差分電路可以有效地降低輸入級噪聲。同時(shí)，頻率越低，前置放大電路噪聲越大；而磁力儀輸出信號在低頻段與頻率成正比，頻率越低，信號幅度越小。為避免低頻信號被噪聲淹沒，可將低頻信號調(diào)制到高頻段放大，然后再調(diào)解到原低頻輸出，即利用斬波放大原理可以很好地解決這一問題。

3 結(jié)論

通過研究分析DEMETER、THEMIS、MMS三顆衛(wèi)星上感應(yīng)式磁力儀的前置放大電路的設(shè)計(jì)，可以看出，在設(shè)計(jì)方式上，從分立式元件逐漸轉(zhuǎn)向ASIC設(shè)計(jì)方式。在抑制噪聲方面，基于磁通負(fù)反饋的頻帶拓展技術(shù)以及輸入端采用差分電路抑制共模干擾依然是主要的降噪手段。此外，反饋深度分析，基于斬波原理的低頻放大技術(shù)等也與前置放大電路的性能緊密相關(guān)。

對于空間變化磁場的測量，基于法拉第電磁感應(yīng)定律的感應(yīng)式磁力儀是主要方式。對于高分辨率的磁通量測量裝置，放大器系統(tǒng)的噪聲要小就必須將放大器系統(tǒng)中的第一級噪聲減到最小。所以，前置放大電路在整個磁力儀系統(tǒng)中起著重要作用，研究感應(yīng)式磁力儀低噪聲前置放大電路的特性，對于設(shè)計(jì)高性能的感應(yīng)式磁力儀是很有必要的。隨著各類新技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，國內(nèi)外針對前置低噪聲放大器的研究與設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了一個快速發(fā)展的階段。