CN104320092B - 一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，包括：依次耦合连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路；第一级和第三级放大电路均为比例差分放大电路，第二级放大电路为高通滤波差分放大电路；第一级放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一集成运放和第二集成运放；第二级放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容和第三集成运放；第三级放大电路包括第八电阻、第九电阻和第四集成运放；本发明针对海洋传感器输出微弱信号的检测电路存在的缺点，提供一种宽频带、低噪声的放大电路，本放大电路在0.1Hz‑10MHz宽频带范围内都能进行纳米级微弱信号的有效放大。

Description

一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路

技术领域

本发明涉及一种微弱信号检测技术，特别涉及一种微弱信号测量的宽频带、低噪声差分放大电路，该电路可以对电磁式海流计前置传感器输出地微弱信号进行有效放大，同时也可以用于测量多种传感器材料的频域内本底噪声水平。

背景技术

目前，在海流测量仪器研发中，电磁式海流计因其采用地磁场作为激发场源，自身设备无须设计发射源，使得前端探头较为轻便。相对于其它海流测量设备更加快速、便捷，适合于多种海洋环境下的参数测量。如文献：张启升等在《地球物理学报》2013年第56(11)卷3699-3707页发表的文章《投弃式海流电场剖面仪研制》，由于海水运动切割地磁场所产生的电场幅度十分微弱，精度在1cm/s海流计所产生的信号是纳伏级(nV)，噪声不应大于50nV。一般的前置放大器不能实现对预期的微弱信号进行不同频率下无放大器噪声干扰的有效放大。因此，必须制作一种微弱信号测量的宽频带、低噪声放大电路。

目前，薄膜导电材料由于其性能稳定、易于集成、噪声较低，在海洋传感器中的应用越来越广泛。薄膜导电材料的本底噪声水平是制约器件灵敏度与检测精度的一个关键参数，直接决定了传感器的信噪比(S/N)。如文献：吴勇等在《电子元件与材料》2006年第25(1)卷55-65页发表的文章《镍铬薄膜电阻器噪声特性研究》，该类型薄膜电阻器在3mA电流条件下，1Hz处的1/f噪声为1×10^-14V²/Hz，大于100Hz后的白噪声为6×10^-17V²/Hz。因此，必须制作一种放大电路在相应频率下的噪声水平应该低于材料的本底噪声，才能对该类型薄膜材料的噪声信号进行有效测量。

发明内容

本发明主要针对海洋传感器输出微弱信号的检测电路存在频带窄、噪声高的缺点，提供一种宽频带、低噪声的放大电路，本放大电路在0.1Hz-10MHz宽频带范围内都能进行纳米级(nV)微弱信号的有效放大，而且自身噪声水平较低。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，包括：第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路；上述三个放大电路依次耦合连接，所述第一级和第三级放大电路均为比例差分放大电路，所述第二级放大电路为高通滤波差分放大电路；其中：

所述第一级放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一集成运放和第二集成运放；所述第二电阻连接于第一集成运放的正相端和引出端之间；所述第三电阻连接于第二集成运放的负相端和引出端之间；所述第一电阻连接于第一集成运放的正相端和第二集成运放的负相端之间；所述第一集成运放的负相端为信号输入端，所述第二集成运放的正相端接地；

所述第二级放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容和第三集成运放；所述第一集成运放的引出端依次通过第一电容、第四电阻与第三集成运放的负相端连接；所述第二集成运放的引出端依次通过第二电容、第五电阻与第三集成运放的正相端连接；所述第六电阻连接于第三集成运放的负相端和引出端之间；所述第三集成运放的正相端通过第七电阻接地；

所述第三级放大电路包括第八电阻、第九电阻和第四集成运放；所述第三集成运放的引出端与第四集成运放的正相端连接；所述第四集成运放的负相端通过第九电阻与第四集成运放的引出端连接；所述第四集成运放的负相端通过第八电阻接地；所述第四集成运放的引出端为信号的输出端。

本发明还可以采用如下技术措施：

进一步：所述第一电阻的阻值为100Ω，第二电阻阻值为500Ω，第三电阻的阻值为500Ω。

更进一步：所述第一电容的电容值为100μF，第二电容的电容值为100μF，第四电阻的阻值为2KΩ，第五电阻的阻值为2KΩ，第六电阻的阻值为20KΩ、第七电阻的阻值为20KΩ。

更进一步：所述第八电阻的阻值为1KΩ，第九电阻的阻值为10KΩ。

更进一步：所述第一电容与第四电阻组成第三集成运放负相端的高通滤波器，第二电容与第五电阻组成第三集成运放正相端的高通滤波器，所述高通滤波器的计算公式为：

其中R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值，C1为第一电容的电容值，C2为第二电容的电容值，f为频率，j为复数的虚部单位，R4C1＝R5C2＝0.20为时间常数；

所述高通滤波器截止频率fc的值为0.80Hz，计算公式为：

更进一步：在频带为10Hz-10MHz范围内，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入白噪声功率谱密度为3.12×10^-18V²/Hz，在频率为1Hz时，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入1/f噪声功率谱密度为1.35×10^-17V²/Hz；所述宽频带低噪声差分放大电路的噪声水平主要由第一级差分放大电路的噪声决定，其计算公式为：

其中为第一集成运放的电压噪声功率谱密度，为第二集成运放的电压噪声功率谱密度，为第一电阻(R1)的等效电压功率谱密度，为第二电阻的等效电压功率谱密度，为第三电阻的等效电压功率谱密度；R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值。

更进一步：所述第一集成运放、第二集成运放、第三集成运放、第四集成运放均为宽频带、高精密、低温漂、低噪声的双极场效应管运算放大器AD797，当频率处于100Hz-10MHz范围内，白噪声功率谱密度为8.10×10^-19V²/Hz，当频率为1Hz时，1/f噪声功率谱密度为6.76×10^-19V²/Hz；所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻均为高精度密封金属膜固定电阻器；所述第一电容和第二电容均为铝电解电容器。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、放大倍数频谱性能测试：本宽频带放大电路在频带范围为10Hz-10MHz内放大倍数G的值为1210(约61.66dB)，在0.1Hz-10Hz频带内，放大倍数也保持在700倍(约56.90dB)以上。其滤波性能非常优良，没有其它因素干扰放大倍数。

2、放大电路总的输入噪声测试：在1Hz-10MHz频带范围内，噪声由低频1/f噪声和高频白噪声组成。在1Hz处的1/f噪声功率谱密度为14.32×10^-18V²/Hz，测量误差为2.15×10^-18V²/Hz；在10Hz-10MHz范围内的白噪声功率谱密度为3.04×10^-18V²/Hz，测量误差为0.46×10^-18V²/Hz；考虑到误差值，噪声测量值均满足于电路噪声设计值。

3、本宽频带、低噪声差分放大电路，可对电磁式海流计前置传感器输出的多种频率的纳伏级(nV)微弱信号进行有效放大，同时也可以测量多种传感器材料频域内本底噪声水平。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是实物电路放大倍数频谱性能测试图。

图3是实物电路总的输入噪声测试图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1、图2和图3，一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，包括：第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路；上述三个放大电路依次耦合连接，所述第一级和第三级放大电路均为比例差分放大电路，所述第二级放大电路为高通滤波差分放大电路；其中：

所述第一级放大电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一集成运放AD797-11和第二集成运放AD797-12；所述第二电阻R2连接于第一集成运放AD797-11的正相端和引出端之间；所述第三电阻R3连接于第二集成运放AD797-12的负相端和引出端之间；所述第一电阻R1连接于第一集成运放AD797-11的正相端和第二集成运放AD797-12的负相端之间；所述第一集成运放AD797-11的负相端为信号输入端，所述第二集成运放AD797-12的正相端接地；第一级放大电路的差分放大倍数是(1+2R2/R1)，其中：R1为第一电阻R1的电阻值，R2为第二电阻R2的电阻值；

所述第二级放大电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1、第二电容C2和第三集成运放AD797-21；所述第一集成运放AD797-11的引出端依次通过第一电容C1、第四电阻R4与第三集成运放AD797-21的负相端连接；所述第二集成运放AD797-12的引出端依次通过第二电容C2、第五电阻R5与第三集成运放AD797-21的正相端连接；所述第六电阻R6连接于第三集成运放AD797-21的负相端和引出端之间；所述第三集成运放AD797-21的正相端通过第七电阻接地；第二放大电路的差分放大倍数是(R7/R5)，其中：R5为第五电阻R5的电阻值，R7为第七电阻R7的电阻值；

所述第三级放大电路包括第八电阻R8、第九电阻R9和第四集成运放AD797-31；所述第三集成运放AD797-21的引出端与第四集成运放AD797-31的正相端连接；所述第四集成运放AD797-31的负相端通过第九电阻R9与第四集成运放AD797-31的引出端连接；所述第四集成运放AD797-31的负相端通过第八电阻R8接地；所述第四集成运放AD797-31的引出端为信号的输出端。第三放大电路的差分放大倍数是(1+R9/R8)，其中：R8为第八电阻R8的电阻值，R9为第九电阻R9的电阻值；

本具体实施例放大电路的总差分放大倍数为三级放大电路放大倍数的叠加，所述总放大倍数的计算公式为：

其中：R1为第一电阻R1的电阻值，R2为第二电阻R2的电阻值；R5为第五电阻R5的电阻值，R7为第七电阻R7的电阻值；R8为第八电阻R8的电阻值，R9为第九电阻R9的电阻值；

为了确保每级差分放大电路的放大倍数接近于10，所述第一电阻R1的阻值为100Ω，第二电阻R2阻值为500Ω，第三电阻R3的阻值为500Ω；所述第一电容C1的电容值为100μF，第二电容C2的电容值为100μF，第四电阻R4的阻值为2KΩ，第五电阻R5的阻值为2KΩ，第六电阻R6的阻值为20KΩ、第七电阻R7的阻值为20KΩ；所述第八电阻R8的阻值为1KΩ，第九电阻R9的阻值为10KΩ。

当频带为10Hz-10MHz范围内，本具体实施例的电路放大倍数G的值为1210(约61.66dB)，当频带为0.1Hz-10Hz频带内，放大倍数也维持在700倍以上(约56.90dB)，当频带为10Hz-10MHz范围内，放大电路的白噪声功率谱密度为3.12×10^-18V²/Hz，在1Hz处放大电路的1/f噪声功率谱密度为1.35×10^-17V²/Hz。

本具体实施例放大电路在0.1Hz-10Hz频带内，放大倍数也维持在700倍以上(约56.90dB)，第一电容C1与第四电阻R4组成第三集成运放AD797-21负相输入端信号的高通滤波器，第二电容C2与第五电阻R5组成第三集成运放AD797-21正相输入端信号的高通滤波器，所述高通滤波器的计算公式为：

其中R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值，C1为第一电容的电容值，C2为第二电容的电容值，f为频率，j为复数的虚部单位，R4C1＝R5C2＝0.20为时间常数；

所述高通滤波器截止频率fc的值为0.80Hz，计算公式为：

在频带为10Hz-10MHz范围内，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入白噪声功率谱密度为3.12×10^-18V²/Hz，在频率为1Hz时，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入1/f噪声功率谱密度为1.35×10^-17V²/Hz；所述宽频带低噪声差分放大电路的噪声水平主要由第一级差分放大电路的噪声决定，其计算公式为：

其中为第一集成运放的电压噪声功率谱密度，为第二集成运放的电压噪声功率谱密度，为第一电阻(R1)的等效电压功率谱密度，为第二电阻的等效电压功率谱密度，为第三电阻的等效电压功率谱密度；R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值。

所述第一集成运放AD797-11、第二集成运放AD797-12、第三集成运放AD797-21、第四集成运放AD797-31均为宽频带、高精密、低温漂、低噪声的双极场效应管运算放大器AD797，当频率处于100Hz-10MHz范围内，白噪声功率谱密度为8.10×10^-19V²/Hz，当频率为1Hz时，1/f噪声功率谱密度为6.76×10^-19V²/Hz；所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9均为高精度密封金属膜固定电阻器；所述第一电容C1和第二电容C2均为铝电解电容器。

本发明的工作原理：在放大电路中，由于放大器、电阻器和电容器件的存在，会根据输入信号的频率，影响电路的放大倍数。同时由于电子器件自身存在噪声，电路的总噪声等于各个器件的噪声的叠加。电路设计的主要方式是采用对称的多级差分放大电路，尽量减少单个器件对电路的影响。另外采用宽频带、低噪声的集成运放芯片，结合每级放大倍数约等于10的三级放大电路，从而保证电路在较宽频带的放大倍数达到10³倍以上。电路设计中加入两个相同的对称电容(即第一电容C1、第二电容C2)，通过对低频信号的滤波而消除了输入端直流电压对放大电路的干扰。

如图2所示，将本发明的放大电路连接到偏置电压源，将由信号发生器产生的扫频信号由输入端输入。设置信号发生器输出振幅为2mV，扫频信号范围为0.1Hz-10MHz。通过信号输出端得到的信号显示：本发明的放大电路在频带范围为10Hz-10MHz内放大倍数G的值为1210(约61.66dB)，在0.1Hz-10Hz频带内，放大差分放大倍数也保持在700倍以上(约56.90dB)。其滤波性能非常优良，没有其它因素干扰放大倍数。

如图3所示，将本发明的放大电路连接到偏置电压源，为了避免其它噪声干扰，信号输入端接地，使用频谱分析仪对电路在1Hz-10MHz频率范围内的输出电压噪声功率进行测试，测试完后得到的波形再除以在1Hz-10MHz频带内的放大倍数的平方得到放大电路总的输入噪声波形。

Claims (1)

1.一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于：包括：第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路；上述三个放大电路依次耦合连接，所述第一级和第三级放大电路均为比例差分放大电路，所述第二级放大电路为高通滤波差分放大电路；其中：

所述第一级放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一集成运放和第二集成运放；所述第二电阻连接于第一集成运放的正相端和引出端之间；所述第三电阻连接于第二集成运放的负相端和引出端之间；所述第一电阻连接于第一集成运放的正相端和第二集成运放的负相端之间；所述第一集成运放的负相端为信号输入端，所述第二集成运放的正相端接地；

所述第二级放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容和第三集成运放；所述第一集成运放的引出端依次通过第一电容、第四电阻与第三集成运放的负相端连接；所述第二集成运放的引出端依次通过第二电容、第五电阻与第三集成运放的正相端连接；所述第六电阻连接于第三集成运放的负相端和引出端之间；所述第三集成运放的正相端通过第七电阻接地；

所述第三级放大电路包括第八电阻、第九电阻和第四集成运放；所述第三集成运放的引出端与第四集成运放的正相端连接；所述第四集成运放的负相端通过第九电阻与第四集成运放的引出端连接；所述第四集成运放的负相端通过第八电阻接地；所述第四集成运放的引出端为信号的输出端；

所述第一电阻的阻值为100Ω，第二电阻阻值为500Ω，第三电阻的阻值为500Ω；

所述第一电容的电容值为100μF，第二电容的电容值为100μF，第四电阻的阻值为2KΩ，第五电阻的阻值为2KΩ，第六电阻的阻值为20KΩ、第七电阻的阻值为20KΩ；

所述第八电阻的阻值为1KΩ，第九电阻的阻值为10KΩ；

所述第一电容与第四电阻组成第三集成运放负相端的高通滤波器，第二电容与第五电阻组成第三集成运放正相端的高通滤波器，所述高通滤波器的计算公式为：

$H\left(f\right)=\frac{j2{\mathrm{\πfR}}_4{C}_1}{1+j2{\mathrm{\πfR}}_5{C}_2},$

其中R₄为第四电阻的阻值，R₅为第五电阻的阻值，C₁为第一电容的电容值，C₂为第二电容的电容值，f为频率，j为复数的虚部单位，R₄C₁＝R₅C₂＝0.20为时间常数；H(f)为高通滤波器的传递函数；

所述高通滤波器截止频率fc的值为0.80Hz，计算公式为：

$f_c=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_4{C}_1}=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_5{C}_2};$

在频带为10Hz-10MHz范围内，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入白噪声功率谱密度为3.12×10^-18V²/Hz，在频率为1Hz时，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入1/f噪声功率谱密度为1.35×10^-17V²/Hz；所述宽频带低噪声差分放大电路的噪声水平主要由第一级差分放大电路的噪声决定，其计算公式为：

$e_{n-in}^2\left(f\right)=\[e_{nA11}^2\left(f\right)+e_{nA12}^2\left(f\right)+{\left(\frac{2R_2}{R_1}\right)}^2\frac{e_{{\mathrm{nR}}_1}^2\left(f\right)}{{(1+\frac{2R_2}{R_1})}^2}+\frac{e_{{\mathrm{nR}}_2}^2\left(f\right)}{{(1+\frac{2R_2}{R_1})}^2}+\frac{e_{{\mathrm{nR}}_3}^2\left(f\right)}{{(1+\frac{2R_3}{R_1})}^2}\],$

其中为第一集成运放的电压噪声功率谱密度，为第二集成运放的电压噪声功率谱密度，为第一电阻(R1)的等效电压功率谱密度，为第二电阻的等效电压功率谱密度，为第三电阻的等效电压功率谱密度；R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值；

所述第一集成运放、第二集成运放、第三集成运放、第四集成运放均为宽频带、高精密、低温漂、低噪声的双极场效应管运算放大器AD797，当频率处于100Hz-10MHz范围内，白噪声功率谱密度为8.10×10^-19V²/Hz，当频率为1Hz时，1/f噪声功率谱密度为6.76×10^-19V²/Hz；所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻均为高精度密封金属膜固定电阻器；所述第一电容和第二电容均为铝电解电容器。