CN108667431A - 一种前置放大电路和信号放大方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种前置放大电路，用于将信号源输出的电压进行放大，信号源为交流信号源；所述电路包括：变压器N1、三个电阻、一个低噪声运放A1和四个电容，信号源的两端分别接在变压器N1初级的两端，变压器N1的初级设置接地引线，连接在变压器初级侧的地线EGND上，变压器N1的次级一端接在低噪声运放A1的正输入端，一端接在变压器N1次级侧的地平面GND上，电阻R3并联在变压器的次级；电阻R1一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在地平面GND上，电阻R2一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在低噪声运放A1的输出端；电容C1和C2的正极连接在低噪声运放A1正电源引脚，电容C1和C2的负极连接在地平面GND；电容C3和C4的负极连接在低噪声运放A1负电源引脚，C3和C4的正极接在地平面GND上。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种前置放大电路和信号放大的方法。
背景技术
前置放大电路是接收机电路入口电路，在理想情况下，接收机对微弱信号进行放大、滤波和增益控制等预处理是以接收机不引入新的噪声为条件的。而电路中的电阻产生的热噪声，运算放大器固有的电压和电流噪声严重影响了接收机处理弱小信号的能力，而前置放大电路信噪比的大小对接收机处理的最小信号能力起关键作用。
现有的前置放大电路在对微弱信号进行放大的同时，电路中器件引入的噪声，比如电阻的热噪声、运放的固有电压和电流噪声也被放大了，信号的放大倍数与噪声的放大倍数相同，也就是说输入信号的信噪比等同输出信号的信噪比，也就影响接收机电路对微弱信号的处理能力。
发明内容
本发明的目的在于克服常规前置放大电路存在的上述问题，提出了一种前置放大电路，该电路设计简单，工作稳定可靠，仅仅采用一个磁性元件和运放电路，在实现信号放大的同时，还能有效抑制噪声。
为了实现上述目的，本发明提供了一种前置放大电路，用于将信号源输出的电压进行放大，信号源为交流信号源；所述电路包括：变压器N1、三个电阻、一个低噪声运放A1和四个电容，其特征在于，信号源的两端分别接在变压器N1初级的两端，变压器N1的初级设置接地引线，连接在变压器初级侧的地线EGND上，变压器N1的次级一端接在低噪声运放A1的正输入端，一端接在变压器N1次级侧的地平面GND上，电阻R3并联在变压器的次级；电阻R1一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在地平面GND上，电阻R2一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在低噪声运放A1的输出端；电容C1和C2的正极连接在低噪声运放A1正电源引脚，电容C1和C2的负极连接在地平面GND；电容C3和C4的负极连接在低噪声运放A1负电源引脚，C3和C4的正极接在地平面GND上。
上述技术方案中，所述低噪声运放A1的电压噪声Ve满足：所述低噪声运放A1的电流噪声ie满足：
上述技术方案中，所述电阻R1和R2为高精度电阻，电阻精度为1％。
上述技术方案中，所述电容C1和C3为电解电容，所述电容C2和C4为瓷片电容。
上述技术方案中，所述变压器N1的磁芯为铁氧体磁罐，所述变压器N1采用夹心绕法制作而成。
基于上述的前置放大电路，本发明还提供了一种信号放大的方法，能够提高换能器接收机输出的电压，同时降低信号的信噪比，所述方法包括：
步骤1)在变比为1：n的变压器N1的初级侧加上信号源：信号电压为US，内阻为RS，变压器N1的初级线圈流过电流IS，变压器N1初级感应电压为US1＝US-IS×RS；
其中，n为变压器的变比，且n≥1；
步骤2)计算电阻R3两端的电压Un：
设变压器N1的次级感应电压Un，变压器N1的次级接在电阻R3的两端，电阻R3上流过的电流为In，电阻R3上的电压为In×R3等于Un，即Un＝In×R3，根据变压器的工作特性，Us1/Un＝1/n，Is/In＝n/1，则
步骤3)计算低噪声运放A1输出端电压VOUT2：
本发明的优势在于：
1、本发明的电路通过增加磁性元件，有效提高前置放大电路的信噪比；
2、本发明的前置放大电路可广泛应用于各种接收机电路中。
附图说明
图1为本发明的前置放大电路的示意图；
图2为本发明的前置放大电路的噪声源示意图；
图3为常规前置放大电路的示意图；
图4为常规前置放大电路的噪声源示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明的构成主要有变压器和运放电路，其中运放电路包括一个低噪声的运算放大器和三个电阻。信号源产生的信号通过变压器变换到变压器的次级，将加在变压器初级的信号进行第一次放大，含有直流或低频干扰的交流信号从变压器的一次侧端输入时，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号的幅值也被大大的衰减；变压器的次级电压直接连接到低噪声运算放大器的正向输入端，运算放大电路将输入的电压信号进行第二次放大，同时也放大了噪声电压。
如图1所示，一种前置放大电路，用于将信号源输出的电压进行放大，信号源为交流信号源；所述电路包括：变压器N1、三个电阻、一个低噪声运放A1和四个电容，其中，信号源的两端分别接在变压器N1初级的两端，变压器N1的初级设置接地引线，连接在变压器初级侧的地线EGND上，变压器N1的次级一端接在低噪声运放A1的正输入端，一端接在变压器N1次级侧的地平面GND上，电阻R3并联在变压器的次级；电阻R1一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在地平面GND上，电阻R2一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在低噪声运放A1的输出端。低噪声运放A1的工作电源正极连接+VCC，电源负极连接-VCC；电容C1和C2的正极连接在低噪声运放A1正电源引脚，电容C1和C2的负极连接在地平面GND；电容C3和C4的负极连接在低噪声运放A1负电源引脚，C3和C4的正极接在地平面GND上。
所述变压器N1磁芯为铁氧体磁罐，所述变压器N1变压器采用夹心绕法制作而成。
所述低噪声运放A1的电压噪声Ve满足：电流噪声ie满足：
所述电阻R1和R2的为高精度电阻，其精度为1％。
所述电容C1和C3为电解电容，所述电容C2和C4为瓷片电容。
基于上述前置放大电路，本发明还提供了一种信号放大的方法，能够提高换能器接收机输出的电压，同时降低电压信号的噪声，所述方法包括：
步骤1)在变比为1：n的变压器N1的初级侧加上信号源：信号电压为US，内阻为RS，变压器N1的初级线圈流过电流IS，变压器N1初级感应电压为US1＝US-IS×RS；
其中，n为变压器的变比，且n≥1；
步骤2)计算电阻R3两端的电压Un：
设变压器N1的次级感应电压Un，变压器N1的次级接在电阻R3的两端，电阻R3上流过的电流为In，电阻R3上的电压为In×R3等于Un，即Un＝In×R3，根据变压器的工作特性，Us1/Un＝1/n，Is/In＝n/1，则
步骤3)计算低噪声运放A1输出端电压VOUT2：
电压Un是低噪声运放A1的正输入端电压，也是负输入端电压，这样就产生了流过连接在低噪声运放A1的负输入端和输出端之间电阻R2的电流I2，低噪声运放A1的输出电压为VOUT2，即电阻R2一端的电压是VOUT2，另一端的电压等于低噪声运放A1的负输入端电压Un，所以I2＝(VOUT2-Un)/R2；同时也有电流流过电阻R1，电阻R1一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在电源地GND上，流过电阻R1的电流I1＝Un/R1；低噪声运放A1的负输入端无电流流入或者流出，所以电阻R1的电流I1于流过电阻R2的电流I2，低噪声运放A1输出端电压为：
本发明的工作原理如下：
换能器的输出信号(US)接在变压器N1(1：n)的两端，Rs为换能器内阻。变压器N1的输出信号作为运放电路的输入信号，运放输出的电压VOUT2，可由下式表示：
根据变压器的工作原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号的幅值也被大大的衰减，从而达到抑制干扰的目的。本发明的前置放大电路的噪声源示意图见图2，共有7个独立噪声源：信号内阻和三个电阻的约翰逊噪声、运算放大器电压噪声和运算放大器各输入端的电流噪声。
折合到运放输入端VRTI2噪声方程如下：
式中，T是绝对温度，K是波尔兹曼常数，所有电阻均是以欧姆为单位的电阻。
本发明的前置运放电路的输出噪声其信噪比SNR2＝20lg(VOUT2/VRTO2)。
为了清晰理解这种前置放大电路提高了信噪比，下面分析常规前置放大电路的信噪比，常规前置放大电路见图3，换能器的输出信号(US)直接作为运放器的输入，运放的输出VOUT1，可由下式表示：
常规前置放大电路的噪声源示意图见图4，运放的输入噪声VRTI1
运放的输出噪声为：
其信噪比为：SNR1＝20lg(VOUT1/VRTO1)。
要得到SNR2与SNR1的大小关系，只需比较VOUT1/VRTO1与VOUT2/VRTO2的大小即可，前置放大电路为了获得更多的信号，需要满足RS＜＜R3，VOUT1/VRTO1和VOUT2/VRTO2可简化为：
VOUT2/VRTO2可改为
在VOUT2/VRTO2公式中n在公式分母中也处于分母位置，所以可以得到下述结论：
当n＝1时，VOUT1/VRTO1＝VOUT2/VRTO2，即SNR1＝SNR2
当n＞1时，VOUT1/VRTO1＜VOUT2/VRTO2，即SNR1＜SNR2
所以当换能器内阻RS与R3的关系满足RS＜＜R3时，采用本发明的前置放大电路，可提高接收机电路的信噪比。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种前置放大电路，用于将信号源输出的电压进行放大，信号源为交流信号源；所述电路包括：变压器N1、三个电阻、一个低噪声运放A1和四个电容，其特征在于，信号源的两端分别接在变压器N1初级的两端，变压器N1的初级设置接地引线，连接在变压器初级侧的地线EGND上，变压器N1的次级一端接在低噪声运放A1的正输入端，一端接在变压器N1次级侧的地平面GND上，电阻R3并联在变压器的次级；电阻R1一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在地平面GND上，电阻R2一端接在低噪声运放A1的负输入端，一端接在低噪声运放A1的输出端；电容C1和C2的正极连接在低噪声运放A1正电源引脚，电容C1和C2的负极连接在地平面GND；电容C3和C4的负极连接在低噪声运放A1负电源引脚，C3和C4的正极接在地平面GND上。
2.根据权利要求1所述的前置放大电路，其特征在于，所述低噪声运放A1的电压噪声Ve满足：所述低噪声运放A1的电流噪声ie满足：
3.根据权利要求1所述的前置放大电路，其特征在于，所述电阻R1和R2为高精度电阻，电阻精度为1％。
4.根据权利要求1所述的前置放大电路，其特征在于，所述电容C1和C3为电解电容，所述电容C2和C4为瓷片电容。
5.根据权利要求1所述的前置放大电路，其特征在于，所述变压器N1的磁芯为铁氧体磁罐，所述变压器N1变压器采用夹心绕法制作而成。
6.一种信号放大的方法，基于权利要求1-5之一所述的前置放大电路实现，能够提高换能器接收机输出的电压，同时降低信号的信噪比，所述方法包括：
步骤1)在变比为1：n的变压器N1的初级侧加上信号源：信号电压为US，内阻为RS，变压器N1的初级线圈流过电流IS，变压器N1初级感应电压为US1＝US-IS×RS；
其中，n为变压器的变比，且n≥1；
步骤2)计算电阻R3两端的电压Un：
设变压器N1的次级感应电压Un，变压器N1的次级接在电阻R3的两端，电阻R3上流过的电流为In，电阻R3上的电压为In×R3等于Un，即Un＝In×R3，根据变压器的工作特性，Us1/Un＝1/n，Is/In＝n/1，则
步骤3)计算低噪声运放A1输出端电压VOUT2：
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