一種低噪聲交流低電壓放大電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán) 明，魏 巍，殷聰如，賈冬宇

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086)

0 引言

通常來說，當(dāng)交流電壓信號(hào)的測(cè)量范圍小于10 mV，或分辨力低于1 μV時(shí)，即可歸屬到微弱信號(hào)測(cè)量范疇，交流低電壓測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、芯片設(shè)計(jì)制造、生物醫(yī)療和電子計(jì)量測(cè)試等專業(yè)領(lǐng)域。因交流低電壓信號(hào)易受各種電子元器件噪聲影響，淹沒在其他雜散干擾信號(hào)中，很難從中分離出來并進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此測(cè)量結(jié)果的不確定度一般較大[1]，通常為千分之幾。目前國(guó)外比較專業(yè)的測(cè)量交流電壓信號(hào)的儀器設(shè)備是數(shù)字多用表3458A，其交流電壓測(cè)量量程最小為10 mV，頻率范圍為1 Hz～300 kHz，測(cè)量精度是0.03%～4%；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上未見同指標(biāo)類型的交流電壓測(cè)量?jī)x器，相關(guān)交流低電壓測(cè)量方面的論文研究報(bào)道不多[2-4]，只有國(guó)防電學(xué)一級(jí)計(jì)量站等專業(yè)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)科學(xué)研究工作，可以實(shí)現(xiàn)100 nV分辨力的測(cè)量技術(shù)。因此，研究團(tuán)隊(duì)依托國(guó)防計(jì)量科研渠道，研發(fā)交流低電壓檢定裝置，自主設(shè)計(jì)研制了一種低噪聲交流低電壓放大電路，實(shí)現(xiàn)了20 μV～2 mV低電壓測(cè)量功能，頻率范圍為10 Hz～100 kHz，最高分辨力為10 nV，最優(yōu)不確定度為0.03%。

1 電路原理簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)的交流低電壓最小為20 μV，最高分辨力為10 nV，且頻率范圍較寬，因此必須對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)分析，尤其要控制好前端放大電路的噪聲，經(jīng)過多種方案比較分析，最終采用如圖1所示的放大電路設(shè)計(jì)框圖，交流低電壓信號(hào)通過自主設(shè)計(jì)繞制的高導(dǎo)磁環(huán)形輸入變壓器和低噪聲運(yùn)算放大器組合體，采用復(fù)合型同相放大技術(shù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大，然后經(jīng)過高通和低通濾波器濾除雜波噪聲，再進(jìn)行二級(jí)放大，得到2 V量程的交流電壓信號(hào)。

圖1 低噪聲交流低電壓放大電路原理框圖

低噪聲交流低電壓放大電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1)進(jìn)行低噪聲來源分析。由于10 nV分辨力已接近各種元器件的本體噪聲，交流低電壓信號(hào)受各種干擾較大，極易淹沒在各種噪聲中，難以分辨測(cè)量。因此要充分考慮整個(gè)放大電路的各級(jí)噪聲影響[5]，尤其是信號(hào)輸入端的影響量，要詳細(xì)分析噪聲引入量，分析匹配最佳源阻抗，降低干擾信號(hào)的影響。

(2)采用復(fù)合型同相放大技術(shù)。對(duì)于交流低電壓信號(hào)，無源放大效果較為理想，因此采用高導(dǎo)磁環(huán)形輸入變壓器進(jìn)行信號(hào)耦合放大，與低噪聲運(yùn)放、精密金屬箔電阻一起組成復(fù)合型同相放大器，實(shí)現(xiàn)高精度100倍放大。

(3)采用分頻段進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。由于10 Hz～100 kHz頻率范圍較寬，電路噪聲主要是白噪聲，其有效值與電路的帶寬成正比，帶寬噪聲影響較大，為進(jìn)一步降低噪聲，限制帶寬，將頻率范圍分為3個(gè)頻段單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)量：10 Hz～1 kHz、1～10 kHz、10～100 kHz，根據(jù)每個(gè)頻段特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，制作3個(gè)不同材料的無源交流變壓器進(jìn)行低噪聲交流放大。

2 低噪聲高精度放大器設(shè)計(jì)

相關(guān)研究表明[6]，在級(jí)聯(lián)放大電路中，各級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)總噪聲系數(shù)的影響是不同的，越是前級(jí)影響越大，第一級(jí)影響最大，噪聲源越靠近后級(jí)，影響越小。在設(shè)計(jì)微弱信號(hào)檢測(cè)的低噪聲電路時(shí)，必須確保第一級(jí)的噪聲系數(shù)足夠小，噪聲源足夠少。因此，第一級(jí)放大器的器件選擇和電路設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，抑制前置低噪聲高精度放大器的噪聲是整個(gè)電路的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分，后部的濾波器和二級(jí)放大電路引入的噪聲對(duì)總噪聲貢獻(xiàn)不大。

因此，考慮到指標(biāo)高和低噪聲等因素，最終采用無源交流變壓器進(jìn)行降噪，即采用高導(dǎo)磁環(huán)型輸入變壓器，作為前級(jí)隔直交流耦合器，降低噪聲電壓，減少干擾影響；甄選超低噪聲的前置運(yùn)算放大器，計(jì)算各頻段帶寬噪聲，滿足放大器低噪聲要求。將精密金屬箔電阻的反饋端連接至交流低電壓信號(hào)端，與高導(dǎo)磁環(huán)形輸入變壓器與低噪聲前置運(yùn)放一起組成一個(gè)新的復(fù)合型同相放大器，能夠保證高精度負(fù)反饋放大100倍，放大后的信號(hào)穩(wěn)定，噪聲抑制效果非常好。

根據(jù)運(yùn)算放大器電壓噪聲En和電流噪聲In計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：enw和inw為電壓噪聲密度和電流噪聲密度；fce和fci為轉(zhuǎn)角頻率；fH和fL為頻帶上下限。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮運(yùn)放噪聲指標(biāo)、頻帶帶寬和低噪聲設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算來選擇正確適合的運(yùn)算放大器。表1為常用運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo)。

表1 常用運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo)

運(yùn)算放大器是含有許多元件的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)元件都是可能的噪聲源，運(yùn)算放大器的噪聲模型等效電路[7]如圖2所示。

圖2 運(yùn)算放大器的噪聲模型

噪聲電壓源En和噪聲電流源In模擬以其輸入節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)的放大器噪聲。信號(hào)源有信號(hào)源阻抗RS和噪聲電壓源ER，ER代表信號(hào)源阻抗的熱噪聲和信號(hào)源送到放大器輸入端的任何額外噪聲。以輸入端為基準(zhǔn)的總噪聲Eni可以表示為各輸入噪聲項(xiàng)平方和再開平方根：

(3)

通常衡量一個(gè)放大器的噪聲性能是以噪聲系數(shù)F為指標(biāo)，由于總噪聲與信號(hào)源阻抗RS有關(guān)，理論和實(shí)踐都證明，當(dāng)RS=(RS)opt=En/In時(shí),其中(RS)opt稱為最佳源阻抗，即信號(hào)源阻抗等于最佳源阻抗時(shí)，可以獲得最小噪聲系數(shù)F，這種情況稱為噪聲匹配。通常交流低電壓輸入信號(hào)源內(nèi)阻Rs是50 Ω，根據(jù)最佳源阻抗設(shè)計(jì)，計(jì)算變壓器匝數(shù)比(原副邊匝數(shù)比)N1/N2=1/N和輸入端等效噪聲En/N，具體數(shù)據(jù)詳見表2。根據(jù)公式(Rs)opt/Rs=N2，所以N≈4，則3個(gè)頻段的噪聲可降為7 nV、20 nV和64 nV。

表2 匝數(shù)比和噪聲的計(jì)算

3 高導(dǎo)磁環(huán)型輸入變壓器設(shè)計(jì)

前級(jí)輸入采用的是高導(dǎo)磁環(huán)形輸入變壓器，主要有以下幾點(diǎn)作用：

(1)耦合作用：級(jí)間無直流通路，即傳輸交流信號(hào)，又起“隔直”作用，各級(jí)獨(dú)立；

(2)阻抗變換作用：通過調(diào)節(jié)N1/N2(原副邊繞組匝數(shù)比)，得到副邊在原邊的等效阻抗為：RL′=(N1/N2)2RL，可獲最佳阻抗；

(3)能夠有效降低后級(jí)低噪聲運(yùn)算放大器的輸入噪聲。

高導(dǎo)磁環(huán)型輸入變壓器的磁芯采用高導(dǎo)磁環(huán)型材料，常用的軟磁性材料有鐵氧體、鐵鋁合金、坡莫合金和非晶態(tài)合金等，其性能比較如表3所示。由于高鈷基非晶態(tài)合金具有損耗小、磁導(dǎo)率高、電阻率高、頻率特性好、磁感應(yīng)強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是作為磁芯的首選材料。因此采用高鈷基非晶態(tài)合金作為高頻段(10～100 kHz)磁芯的首選材料，能夠有效地抑制變壓器噪聲；由于坡莫合金低頻段(10 Hz～1 kHz)性能較穩(wěn)定，可作為低頻段的磁芯首選材料；中頻段(1～10 kHz)的磁芯采用納米晶材料。

表3 高頻磁性材料特性對(duì)比表

高導(dǎo)磁環(huán)形輸入變壓器變壓比是1:4，主要用于實(shí)現(xiàn)最佳源阻抗匹配，采用環(huán)形磁芯，理論上漏磁很小，也不存在線圈輻射，對(duì)磁場(chǎng)干擾具有較好的抑制能力。運(yùn)用漆包線和屏蔽線絞合繞制，線圈均勻卷繞磁芯，原邊和副邊用聚乙脂薄膜和銅箔包裹，進(jìn)行絕緣和屏蔽，繞制完成的變壓器放置在屏蔽盒中。

4 濾波器低噪聲設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高通和低通濾波器時(shí)，為保證線性度，要關(guān)注濾波器通帶的幅值平坦度和過渡帶的陡峭性。其中巴特沃斯特點(diǎn)是：通帶內(nèi)幅頻曲線的幅度平坦；切比雪夫特點(diǎn)是：下降最陡，但通帶之間幅頻曲線有波紋；貝塞爾特點(diǎn)是：相移和頻率之間有良好的線性關(guān)系，階躍響應(yīng)過沖小，但幅頻曲線的下降陡度較差。由于巴特沃思濾波器相比切比雪夫和貝賽爾濾波器在通帶是最大平坦的，過渡帶與阻帶則是單調(diào)衰減的，其相頻特性在通帶中相當(dāng)接近于線性相位，因此選擇巴特沃斯更為適宜。

高通濾波器采用5階Sallen-key巴特沃斯高通濾波器，這種結(jié)構(gòu)的器件較少，穩(wěn)定性較好；低通濾波器采用5階FDNR巴特沃斯低通濾波器，這種濾波器電容值僅為一種，便于實(shí)現(xiàn)高精度濾波。兩款濾波器具有非常好的低失真、低噪聲的特性，不僅增益和線性相位等性能優(yōu)良，而且使設(shè)計(jì)變得更加方便，減少了許多計(jì)算量。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，計(jì)算出3個(gè)頻段的噪聲等效帶寬，確定三頻段的低通截止頻率為1.9、19、190 kHz，高通濾波截止頻率為4 Hz、400 Hz、4 kHz，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表4，在4 Hz～2.2 kHz頻段中，能夠滿足10 nV低噪聲指標(biāo)。濾波器電容選擇聚苯乙烯電容(CB)和聚四氟乙烯電容器，其主要特點(diǎn)是穩(wěn)定、低損耗、體積較大。

表4 頻帶噪聲和頻率相關(guān)表

5 測(cè)試數(shù)據(jù)

低噪聲交流低電壓放大電路測(cè)試框圖如圖3所示。采用多功能標(biāo)準(zhǔn)源Fluke5720A輸出標(biāo)準(zhǔn)交流電壓信號(hào)，通過交流感應(yīng)分壓器進(jìn)行300∶1和1 000∶1的分壓，得到標(biāo)準(zhǔn)交流低電壓信號(hào)，作為交流低電壓放大電路的輸入，完成對(duì)20 μV～2 mV主要技術(shù)指標(biāo)的驗(yàn)證測(cè)試。

圖3 低噪聲交流低電壓放大電路測(cè)試框圖

測(cè)試結(jié)果通過補(bǔ)償修正，最終計(jì)算出被測(cè)交流低電壓信號(hào)值。頻響特性補(bǔ)償時(shí)，每個(gè)量程選擇不同幅值點(diǎn)，頻率按照1、2、5、8的規(guī)則選擇測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，得到修正倍率，其他頻點(diǎn)的修正倍率采用分段線性內(nèi)插的方法得到。線性度補(bǔ)償時(shí)，也采用分段線性內(nèi)插的方法，即在每?jī)蓚€(gè)相鄰不同幅值點(diǎn)之間用線性內(nèi)插函數(shù)計(jì)算得中間點(diǎn)的修正倍率。所有測(cè)試設(shè)備應(yīng)預(yù)熱2 h。測(cè)試內(nèi)容包括示值誤差和分辨力，選擇不同頻率點(diǎn)進(jìn)行示值誤差測(cè)試，在200 μV點(diǎn)做分辨力測(cè)試，結(jié)果如表5所示。測(cè)試結(jié)果表明，低噪聲交流低電壓放大電路的最高分辨力為10 nV。

表5 分辨力測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語

低噪聲低電壓交流放大電路的創(chuàng)新點(diǎn)在于：根據(jù)低噪聲設(shè)計(jì)原則，詳細(xì)分析了放大電路各級(jí)噪聲影響量，采用前級(jí)無源放大和復(fù)合型同相放大技術(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)了20 μV～2 mV交流低電壓信號(hào)放大測(cè)量功能，頻率范圍為10 Hz～100 kHz，最高分辨力達(dá)到10 nV，最優(yōu)不確定度為0.03%，放大電路整體性能穩(wěn)定可靠，順利通過國(guó)防計(jì)量科研項(xiàng)目驗(yàn)收，項(xiàng)目成果應(yīng)用于交直流低電壓檢定裝置。