一種具有偏置電流溫度補(bǔ)償?shù)娜跣盘?hào)放大電路

張嘉偉，高瑞祥，楊 成，程晶晶

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，北京 101149；2.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

在寬溫度范圍為25～175 ℃下的微弱信號(hào)檢測問題是核磁共振測井儀器領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)問題[1-3]，為了在測井極端中獲取幅度在百nV級(jí)別，頻率范圍在500 kHz～1 MHz的微弱信號(hào)，需要設(shè)計(jì)一種低噪聲系數(shù)的前置放大電路，國內(nèi)外研究者在弱信號(hào)檢測方面做出了許多工作[4-6]，但在已經(jīng)開展的相關(guān)研究工作中，偏置電流對微弱信號(hào)放大電路的影響是一個(gè)被忽視的問題，隨溫度變化的偏置電流作用在不對稱的差分信號(hào)源內(nèi)阻上，會(huì)對放大電路產(chǎn)生不同程度的干擾。本文基于低熱阻封裝的ADA4898-2低噪聲運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)一種帶偏置電流溫度補(bǔ)償?shù)奈⑷蹼妷盒盘?hào)放大電路[7]，可用于解決寬溫度范圍條件下偏置電流影響測井儀器微弱信號(hào)檢測性能的問題。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電路原理框圖

微弱電壓信號(hào)放大電路是由差分輸入級(jí)、比例放大器、高通濾波器和差分輸出電路級(jí)聯(lián)而成的，電路框圖如圖1所示，輸入級(jí)由1個(gè)儀用放大器和1個(gè)補(bǔ)償運(yùn)算放大電路組成，儀用放大器能夠抑制共模電壓，適用于大共模電壓情況下的微弱信號(hào)測量。補(bǔ)償電路的作用是為偏置電流提供1個(gè)回路，減小偏置電流隨溫度變化帶來的誤差。

儀用放大器的輸出信號(hào)經(jīng)比例放大電路放大后，再通過二階高通濾波電路濾除輸入的低頻和直流信號(hào)，最后再通過由2個(gè)運(yùn)算放大器組成的差分輸出電路產(chǎn)生2路互補(bǔ)信號(hào)。整個(gè)放大電路的放大倍數(shù)為19 440倍，也即85.8 dB，能夠把百nV級(jí)別的微弱信號(hào)放大到后續(xù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路能夠分辨的電壓范圍。

圖1 微弱電壓信號(hào)測量放大電路原理框圖

1.2 偏置電流補(bǔ)償原理

圖2是典型的儀用放大電路，運(yùn)算放大器A1、A2、A3和相關(guān)外部電阻構(gòu)成儀用放大器，其中R3=R4，R5=R6，R7=R8，R1和R2是差分信號(hào)源的等效內(nèi)阻，I(1+)表示A1正輸入端的偏置電流，I(1-)表示A1負(fù)輸入端的偏置電流。在工作時(shí)，運(yùn)算放大器A1的偏置電I(1+)和運(yùn)算放大器A2的偏置電流I(2+)流過外部不平衡的信號(hào)源內(nèi)阻R1和R2，此時(shí)

I1=I(1+)，I2=I(2+)

(1)

R1和R2兩端產(chǎn)生不相等的電壓U1和U2，這樣會(huì)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)Uerror的誤差，表達(dá)式如式(2)所示。為此，需要增加一個(gè)補(bǔ)償電路來減小偏置電流的影響。

(2)

圖2 典型的儀用放大器

圖3 帶偏置電流溫度補(bǔ)償?shù)膬x用放大器

帶偏置電流溫度補(bǔ)償?shù)膬x用放大器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，虛框中的A4、R9、R10、R11構(gòu)成偏置電流補(bǔ)償電路，其中R10=R11=2R9。偏置補(bǔ)償電路的功能是為偏置電流提供一個(gè)回路，使之不流過信號(hào)源電阻，從而不在輸出端產(chǎn)生誤差。以下結(jié)合圖3分2種情況說明補(bǔ)償電路的原理。

(1)當(dāng)3個(gè)運(yùn)放A1、A2、A4完全匹配，偏置電流的大小相等，即I(1+)=I(1-)=I(2+)=I(2-)=I(4+)=I(4-)=I。根據(jù)運(yùn)放電路的虛短和虛斷可得:

U1-U3=I3R9
U1-U3=I4R10

(3)

由此可得I2=0，即沒有電流流過R2,此時(shí)U2=0。再看U1的大小，運(yùn)算放大器的輸出功率和負(fù)載上的功率的大小相等。設(shè)A4的功率為PA4,外部負(fù)載的功率為Pload，可得：

(4)

二者在大小上是相等的，|PA4|=|Pload|。

又有

I(4out)=I3+I4+I5

(5)

把R9、R10、R11的關(guān)系代入并令偏置電流相等可得I1=0，即

I1=I2=0

(6)

可知沒有電流流過源電阻，此時(shí)能夠完全消除偏置電流的影響。

(2)當(dāng)運(yùn)算放大器的的偏置電流互不相等時(shí)，由功率相等這一條件，可得I5=I4，由于此時(shí)偏置電流是不相等的，把各個(gè)偏置電流分別代入，由基爾霍夫定律可得

(7)

此時(shí)流過源電阻的電流不為零。

通過對比在沒有補(bǔ)償電路、理想情況下的完全補(bǔ)償和不完全補(bǔ)償3種情況下流過源電阻電流的表達(dá)式(1)、式(6)和式(7)，可以明顯看出補(bǔ)償電路對偏置電流的補(bǔ)償效果。由于運(yùn)放在工作時(shí)偏置電流的大小與具體器件的型號(hào)緊密相關(guān)，下面根據(jù)具體的運(yùn)放器件進(jìn)行誤差分析。

1.3 基于ADA4898-2的補(bǔ)償電路和儀表放大器

低噪聲運(yùn)算放大器選擇的ADA4898-2器件是一款超低噪聲和失真、單位增益穩(wěn)定、電壓反饋型運(yùn)算放大器，它內(nèi)置一個(gè)線性、低噪聲輸入級(jí)，并且具有內(nèi)部補(bǔ)償功能，這些特點(diǎn)非常適用于微弱信號(hào)的測量，而且內(nèi)置裸露金屬焊盤，改善了散熱性能，能夠提高電路在寬溫度范圍下的可靠性，其中ADA4898-2的偏置電流服從N(-0.13,0.000 4)μA的正態(tài)分布[8]。

可在MATLAB仿真環(huán)境中用4組服從該分布的隨機(jī)數(shù)對應(yīng)偏置電流I(1+)、I(2+)、I(4+)、I(4-)的大小，并用蒙特卡羅法求得偏置電流不完全相等時(shí)，流經(jīng)信號(hào)源內(nèi)阻R1和R2的電流I1和I2之差的分布，圖4是分析結(jié)果，橫軸表示I1-I2的值，單位是μA，縱軸表示I1-I2分布情況。

圖4 I1-I2分布圖

由上述可知，偏置電流的影響主要是通過流過外部源電阻形成電壓差產(chǎn)生的，為了分析偏置電流不相等時(shí)帶來的補(bǔ)償誤差，所以令源電阻相等，用I1和I2的差值來表征補(bǔ)償電路沒有完全補(bǔ)償時(shí)誤差的變化情況，可以看到誤差主要分布在0.04～0.06 μA之間，95%的誤差小于0.1 μA，而且從整體分布來看誤差的分布大致呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合一般的分布規(guī)律。

1.4 噪聲性能計(jì)算

(8)

式中：Et為熱噪聲；En、In為運(yùn)算放大器的電壓噪聲和電流噪聲；RS為源電阻[9-11]。

它把全部噪聲源等效在信號(hào)源處?；诖朔N噪聲分析方法，用Pspice對輸入端做了噪聲仿真分析。

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，數(shù)據(jù)對比如表1所示，仿真結(jié)果表明，補(bǔ)償電路幾乎不會(huì)增加額外的等效輸入噪聲。

偏置電流的補(bǔ)償方法通常是串接一個(gè)對地的大電阻，但這個(gè)電阻產(chǎn)生的熱噪聲和高阻抗節(jié)點(diǎn)潛在的外部噪聲拾取會(huì)給電路增加額外的誤差，由上述仿真數(shù)據(jù)可知，由運(yùn)放構(gòu)成的補(bǔ)償電路剛好克服了這一缺

圖5 不加補(bǔ)償時(shí)的等效輸入噪聲

圖6 加補(bǔ)償時(shí)的等效輸入噪聲

表1 不同頻率下的噪聲對比

點(diǎn)，在不增加噪聲的情況下補(bǔ)償了偏置電流，由此可見這種補(bǔ)償方法適用于微弱信號(hào)的放大電路。

1.5 其他電路設(shè)計(jì)事項(xiàng)

比例放大電路的結(jié)構(gòu)如圖7所示，C1是交流耦合電容，起到隔離直流的作用，C2、C3是電源的去耦電容，電路的放大倍數(shù)是18，它和前面的儀表放大器配合使用。

圖7 比例放大電路

高通濾波器主要是為了去除低頻噪聲，降低噪聲帶寬，從而降低系統(tǒng)噪聲，電路原理圖如圖8所示。

圖8 二階高通濾波器

因?yàn)樾盘?hào)帶寬范圍為500 kHz～1 MHz，所以高通濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)在440 kHz，在PSpice上仿真得到頻率響應(yīng)曲線如圖9所示，可以看到仿真結(jié)果和我們的理論設(shè)計(jì)是相符合的。

圖9 濾波器頻率特性

2 實(shí)驗(yàn)測試

在測試時(shí)，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)過衰減器衰減后送至放大電路進(jìn)行放大，然后用示波器對信號(hào)輸出進(jìn)行測量，為了測量補(bǔ)償電路的效果，預(yù)留了2個(gè)對地電阻來模擬源電阻，便于測試當(dāng)輸入電壓為0時(shí)偏置電流帶來的輸出誤差，另外還測試了整個(gè)電路的頻帶特性和線性度，以下是測量結(jié)果。

2.1 偏置電流誤差測試

偏置電流的大小在μΑ量級(jí)，如果用幾十Ω的等效源電阻來進(jìn)行測試，那么在輸出端只能得到mV的輸出誤差，用示波器很難觀察，因此在輸入端接入2個(gè)差值在1 kΩ的等效源電阻來擴(kuò)大偏置電流的影響，由此可以很直觀地看到補(bǔ)償電路的補(bǔ)償作用，測試方法如圖10所示，為了放大偏置電流的作用效果，把2個(gè)源電阻的差值設(shè)置為1 kΩ,分別在加補(bǔ)償電路和不加補(bǔ)償電路的情況下在測試點(diǎn)測試輸出誤差。

圖10 偏置電路補(bǔ)償測試示意圖

圖11和圖12分別是在輸出端用示波器測得的不加補(bǔ)償和加補(bǔ)償?shù)妮敵霾ㄐ螆D，表2是最大誤差的數(shù)據(jù)對比，可以看到補(bǔ)償電路的補(bǔ)償效果明顯，說明在寬溫度范圍中出現(xiàn)大偏置電流時(shí)，補(bǔ)償電路能夠發(fā)揮作用，減小偏置電流帶來的輸出誤差，有效地提高了電路在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，驗(yàn)證了補(bǔ)償電路的實(shí)用性。

圖11 不加補(bǔ)償偏置電流輸出誤差

圖12 加補(bǔ)償偏置電流輸出誤差

表2 偏置電流誤差對比 V

2.2 頻帶特性測試

信號(hào)頻帶特性是衡量放大電路的一個(gè)重要指標(biāo)，圖13為不同溫度下頻率特性測試數(shù)據(jù)。

圖13 各溫度下頻率響應(yīng)曲線

由圖13可以看出，頻率特性幾乎不隨溫度變化，175 ℃時(shí)特性與25 ℃時(shí)基本一致，各溫度下與25 ℃最大偏差如表3所示，說明該設(shè)計(jì)信號(hào)頻率特性溫度一致性高。

表3 各溫度下與25 ℃最大偏差

2.3 線性度測試

線性度測試是在800 kHz單頻環(huán)境下測試輸入和輸出的關(guān)系，圖14是線性度測試的結(jié)果。表4給出了擬合曲線的線性系數(shù)和擬合相似度，結(jié)果表明線性系數(shù)和相似度都保持在10-4數(shù)量級(jí)，說明該電路具有很好的線性度，并且在不同溫度下擬合曲線基本一致，表明了線性度的溫度一致性高，在寬溫度范圍下能穩(wěn)定地工作。

圖14 不同溫度下的線性度擬合直線

表4 各溫度下擬合曲線線性系數(shù)和擬合度

3 結(jié)束語

為了解決偏置電流在寬溫度范圍下變化較大對電路產(chǎn)生影響的問題，本文設(shè)計(jì)了一種帶偏置電流溫度補(bǔ)償?shù)奈⑷跣盘?hào)放大電路，通過公式推導(dǎo)說明了補(bǔ)償原理，并分析了實(shí)際使用時(shí)誤差的情況，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了整個(gè)電路的實(shí)用性。