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标题 用于检测[1f]电噪声的低噪声放大器设计与仿真
范文 李一帆+郭树旭+郜峰利



摘 要： [1f]低频电噪声是评估半导体器件质量和寿命的一个重要因素。由于[1f]低频电噪声极其微弱，为了检测它，同时最大程度降低放大器的本底噪声，低噪声放大器的设计和实现是至关重要的一个环节。针对[1f]低频电噪声信号的特性，在现有低噪声放大器基础上进行优化改进，设计出一款频率极低的低噪声放大器，在0.1 Hz～100 kHz频率下具有高增益和低噪声特性。仿真结果表明，在10 Hz处噪声系数达到1.80 dB。
关键词： [1f]噪声； 极低频； 高增益； 低噪声放大器
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）04?0080?04
随着通信、生物等众多领域对微弱信号检测的要求日益提高，放大器对低噪声的要求已成为弱信号检测的重要课题之一。放大器的本底噪声对微弱信号的影响不可忽视，低频段噪声对被测[1f]信号影响最大，因此必须对低频段的本底噪声进行有效地抑制[1]。当前国内对低频低噪声放大器的研究较少、难度较大，并且应用于[1f]电噪声信号放大并不理想，具体表现为带宽下限的最低频率不够低，以及对极低频率噪声的抑制不够好。因此，本文针对放大[1f]电噪声信号，进行放大器的低噪声设计。
1 放大器的低噪声设计
1.1 放大器设计原理
放大器设计目标是放大已提取出的[1f]信号，同时降低放大器本身的[1f]噪声。[1f]噪声信号具有以下特点：频率范围低，频率越低幅度越大，最低频率极低，可小于1 Hz，电压幅度在10-7～10-5 V之间[2]。因此可以确定放大器为超低频放大器，且输入信号幅度为μV量级。已知放大器的带宽增益积为定值，而[1f]信号的频带范围较窄，所以可以通过合理的降低带宽，来增加放大器的增益，更好地放大微弱信号。
在满足增益以及带宽特性的同时，降低放大器的本底噪声，只采用一级放大是不能实现的。因此，采用多级放大来进行设计[3]。根据费里斯公式可知，级联放大器的总噪声系数F有如下关系：
[F=F1+F2-1K1+F3-1K1K2+…+FN-1K1K2…KN] （1）
式中：FN为各级的噪声系数；KN为各级的增益。费里斯公式说明级联放大器中各级的噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越是前级影响越大，第一级影响最大。因此，在设计用于微弱信号的低噪声放大器时，必须确保第一级的噪声系数足够小[4]。
另外，为了更好地抑制漂移，以及降低干扰，应尽量选用高精度器件，精密的稳压源，采用高阻值电阻，并且选取适当的输入方式。为了提高电路的最大不失真输出电压，应尽量减少三极管的数量。设计原理框图见图1。
输入端放大器件选用结型场效应管JFET，具有输入阻抗高、噪声系数小、热稳定性好、防辐射能力强的特点[5?7]。二级放大为仪表放大器，仪表放大器为一种特殊的放大器结构，由3个运算放大器构成，具有非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开路增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗，通常用于需要精确性和稳定性非常高的电路[8]。经设计后的放大器可将本底噪声抑制到nV量级，同时，在1 Hz～500 kHz范围内增益高达80 dB。
1.2 实验电路的仿真分析
根据设计原理设计出放大器的原理图，其电路仿真原理图如图2所示。
1.3 典型电路分析
1.3.1 JFET差分放大
JEET原理图如图3所示，J1，R1，R4，C1和J11，R11，R5，C11对称，两个JFET构成差分放大结构，抗干扰能力强，能够很好地抑制漂移，降低本底噪声，提高输入端噪声性能。
R2和C2具有滤波作用，经实验测试，C2为10 pF时，最高频率可高达1 MHz，C2越高，最高频率越低。R3作用在于调整电路放大倍数，以及为下一级提供偏置，经计算取值680 Ω。信号经JFET差分电路反向放大，输入至下一级。
1.3.2 PNP反相器
如图4所示，R6，R7以及上一级的R3，为PNP提供静态工作点，使信号不失真放大。实验测试表明，将R6，R7从10 kΩ量级提高至100 kΩ量级，噪声效果有显著提升，等效输入噪声能够降低[13]。反向后的信号经C14和R10构成的滤波器，输出至下一级。
通常情况三极管过多会降低放大器的最大不失真输出电压，因此本级只采用一个三极管作为反相器，将第一级反相放大的信号变为与输入级同相的信号。
1.3.3 仪表放大器模块
电路如图5所示，其中一个同相端输入信号，另一同相端接地，此种输入方式为伪差分输入。相对于差分输入方式，其优点在于在伪差分模式下，负端输入是不随时间变化的，仅仅是一个参考值。因此能够减小信号与设备的参考地电位不同所造成的影响，提高了测量的精度。
图5中R21和R22，R33以及R24，R25和R26，R27决定了仪表放大器的增益，经测试，图示阻值可使总增益达到80 dB。而仪表放大器选用美信公司的MAX412和MAX410作为核心运算放大器芯片，其性能优秀：电压增益高，转换速率快，供电的电流低至2.5 mA，供电的电压低至±2.4～±5 V，具有28 MHz的增益带宽，噪声系数低，在1 kHz频率时的输入电压噪声密度 [9]低于2.4 nV。在80 dB增益下，通频带较第一级足够宽，满足设计要求。
2 仿真分析及仿真结果
设计中选取PSpice为仿真软件，对电路的特性进行分析。
2.1 时域分析
输入信号选取VSIN，选取Time Domain类型，仿真时间10 ms，勾选Temperature Sweep，将温度设置为25 ℃，进行仿真。通过调整VSIN的交流分量，可以分析出放大器的最大不失真输出电压为0.1 mV，当输入信号为1 nV时，可明显看出零点漂移为3.5 μV，电路放大倍数约为10 000倍，可分析出电路将漂移抑制到0.35 nV，因此可知放大器正常工作的电压输入范围为0.01～100 μV，图6为1 μV输入时的输出波形。
2.2 频域分析
在VAC选取1 μV的条件下，进行AC Sweep/Noise类型仿真，扫描类型选取Log，起始频率设为0.1 Hz，结束频率设为1 MHz，单位取样点数设为10，勾选Temperature Sweep，将温度设置为25 ℃，进行仿真。
2.2.1 增益特性
对DB（V（OUT）/V（IN））进行追踪，频率响应如图7所示，可知放大器增益为80 dB，-3 dB通频带为0.1 Hz～500 kHz，满足设计目标要求。
2.2.2 噪声特性
对V（INOISE） / SQRT（Frequency）进行追踪，所得等效输入噪声曲线如图8所示，可分析得出噪声特性如表1所示，仿真出的噪声特性十分良好。由于噪声的功率谱密度随频率变化呈现幂指数变化，当频率过高时，单位频率下的等效输入噪声已经衰减至很低，并且输入的[ 1f]电噪声信号的高频分量很小，所以取100 kHz作为上限截止频率进行分析。
表1 等效输入噪声的频率特性
2.2.3 热稳定性
在Temperature Sweep设置-40 ℃，25 ℃，75 ℃三个温度调节，进行仿真。
增益特性如图9所示，可知温度由低到高变化时，增益随之变大，但带宽比较稳定，0.1 Hz～500 kHz。
噪声特性如图10所示，当温度变化时，等效输入噪声特性几乎不变，具有较高的稳定性。
在商业级的温度条件下，放大器热稳定性较好，可以在0.1 Hz～100 kHz下保持良好的性能
2.3 放大[1f]信号的仿真分析
根据[1f]信号特性，由其频域进行快速傅里叶变换FFT，得到时域波形。根据波形及采样点数据，用折线波信号源VPULSE仿真出[1f]信号源作为输入，其输入/输出波形如图11所示，因此可确定放大器放大[1f]波形型信号的可行性。
2.4 噪声系数计算
系统的噪声系数为：
[FN=10lgEni24KTRS=20lgEni4KTRS] （2）
式中：K为波尔兹曼常数1.38×10-23 J/K；T取室温300 K；RS取50 Ω；Eni为单位频率下的等效输入噪声，通过Pspice频域分析，可获取单一频率下的等效输入噪声。在10 Hz时，第一级JFET放大器等效输入噪声Eni=0.75 [nVHz]，计算出第一级的噪声系数F1=-1.68 dB，说明第一级放大对本底噪声的抑制能力非常强。
放大器整体的等效输入噪声Eni=1.12 [nVHz]，计算系统在10 Hz处的噪声系数：FN=1.80 dB。
3 结 语
本文针对放大[1f]电噪声信号，提出了抑制本底噪声的方法并设计仿真，第一级为超低噪声低增益放大，第二级为高增益低噪声放大。仿真实验证明，该放大器在1 Hz～500 kHz下增益可高达80 dB，且具有良好的噪声特性，在10 Hz处的噪声可低至1.12 nV/[Hz]，噪声系数为1.80 dB。可以实现对[1f]低频电噪声信号的低噪声放大功能。
参考文献
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[4] 谭超，董浩斌.低频μV信号放大器的设计与制作[J].电测与仪表，2007，44（11）：55?58.
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[6] 尹辉.基于场效应管的低噪声前置放大器的研究和设计[D].长春：吉林大学，2009.
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[10] 武斌，姜丽，尹亚兰.超低频放大器的低噪声和抗干扰设计与实现[J].电子工程师，2006，32（1）：28?30.
[11] 刘勇，安志鸿.低频低噪声放大器设计[C]//2007仪表自动化及先进集成技术大会论文集.重庆：中国仪器仪表学会，2007：322?325.
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更新时间：2025/3/15 17:36:50