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  • 广州优必胜科技有限公司 UBS 国际音响(中国)事业部

    低噪声前置放大器设计方法

    2018-06-01|来自: UBS国际



    低噪声前置放大器设计方法一、研究的目的与意义随着科研和生产的发展,越来越需要测量微弱信号。这些微弱信号常常埋在噪声中,特别是各种物理量(非电量)是通过传感器变换为等效电压信号而进行量测的,这种测昆需要恢复及记录其变化,甚至在生产流程当中还要进行过程控制。因此,要求设计检测仪器必须具育高灵敏度、能抑制噪声,使信噪比改善的良好性能,以满足检测出埋在噪声中的微弱信号的需要。木文着重讨论对信号提取后如何设计前置放大器问题。随着传感器应用的日益广泛,为能检测到由传感器转换来的微弱电信号,要求放大器具有极低的噪声。低噪声放大器对提高传感器测量弱信号的能力、测量范围和灵敏度都是极其重要的,也是很有必要的。本文论述的低噪声放大器除噪声低、频带宽这些特点外,还具有较强的输出能力,特别适于声传感器,当然也适于其它需要低噪声放大器的场合。要求放大器有较强的负载能力这一特点是由声传感器本身的特点以及测量范围的要求而决定的。实际要求当频率低于2MHZ时,输出电压幅值应达到7V(18V电源),负载为500时的输出电流应大于70InA。

    二、处理前置放大器的噪声由传感器变换为等效电压信号,其中可能包括部分噪声(无用信号)。所以,在讨论前置放大器设计前,简单回顾一下放大器的噪声问题。测量中噪声出现是一个所不希望的扰动和杂乱的随机信号,它是被测信号的自然背景和限制仪器性能的一个极其重要的因素。由传感器测出非电量转换为电量信号是极其微弱的量。例如:核磁共振、顺磁共振的共振信号是以微伏级计的信号源等。对类似这种信号进行放大和传递过程中影响最大的是热噪声和器件内部固有噪声,这些正是要克服的对象。所谓热噪声是由于电荷的无规则运动和导体中电子密度和热涨落而产生的一种噪声。由于传感器存在内阻,在达到热平衡情况下,其噪声电压与带宽具有正比关系。即当前置放大器的带宽增加时,所引起的噪声电压随之增加。因此,

    1对设计前置放大器的带宽应以满足检测信号能通过即可,过宽的频带对信号放大和传递并没有意义,反而会使噪声增加。弹散噪声也是由于电子器件不均匀结构的电子流的统计特性或载流子的发射、复合速度不均匀而产生不规则的脉冲电流等原因产生的一种噪声。上述这两种噪声仅与测量频带宽度有关,而与频率无关,可以通过压缩频带,进行积分来减少。至于器件的另一种,它是产生于导电物质内部,是频率函数,称之闪烁噪声或称为1/f噪声。这种噪声的分布与1/fn(n0.8—1.35)成正比,几乎每种电子元件和器件具有这种噪声。频率越低(尤其100Hz以下),1/f噪声越大。它与半导体表面状态有关,因为半导体中一部分载流子要在表面产生和复合,若表面处理不好,1/f噪声就会很大。因此,l/f噪声在低频带时影响比较严重,使噪声系数在低频带显著上升,对设计应用时尽量选择不在这频带范围之内。三、低噪声前置放大器的设计原则设计低噪声前置放犬器应遵循一些基本原则,以期待获得最小的噪声系数或最小有噪声电压Vni。一般说,传感器的源电阻固定情况下,若Vni最小,则F也最小。1.低噪声器件的选择原则选择低噪声器件不仅考虑噪声系数小,亩且同时考虑保证最佳源电阻与信号源电阻匹配。一般晶体管具育较小约源电阻,可以用于低源电阻前置放大器;结型的场效应管的噪声电流较小,具有较大的源电阻,可作为高源电阻前置放大器。在没计前置放大器时,大都采用低噪声晶体管,要求β大,rb/b小及大,而结型场效应管要求gm大,Cin小的器件。往往后者噪声系数比前者要小,很适合于作低噪声前置放大器的器件。传感器通常需要放大器或有关器件,以便进行缓冲、隔离、放大、电平转换、电压电流转换、电流电压转换等处理。除上面所说的选用低噪声管子外,又常用运算放大嚣(OP、AmP)来设计前置放大器级,从而实现了传感器及其接口电路处理,不仅抑制噪声,而且提高测量精度。

    2、最佳工作点时选择对于给定电阻的前置放大器,要得到最小噪声系数,则应满足Rs0=Rs(Rs0为最佳电阻。由于Rs一定,不可改变。当有原器件确定态,必须改变直流工作点,使噪击电压Vni和噪声电流ini改变来满足噪声匹配。

    3、噪声匹配网络在不同源电阻(Rs)时,最佳工作电流Ico是不同的,也就是说最小噪声系数NFmi是不同的。所以提出一个很实际问题,即什么样源电阻时有最佳(即最小)的噪声系数,这就是设计低噪声前置放大器(换言之:最低噪声电子设备)要掌握的关键。

    4、线路设计该放大器由两级差分放大器和输出级构成,如附图所示。线路设计除考虑降低噪声外,还应采取增大频带和负载能力的措施。

    (1)、输入级的设计输人级由附图中的T1T2组成,图中Rt使第一级建立合适的直流工作点,T12为输入级提供恒流偏置。因为整个电路的噪声性能主要由第一级的噪声性能决定,所以输入级电路的设计是降低放大器噪声的关键。输人级的噪声与其工作电流有关,在一定源电阻情况下存在最佳集电极电流,使放大器噪声最小,故设计最佳工作电流是降低噪声的一项主要措施。中频时单位频带内噪声电压式和In分别为式中k,qT为常数,rb为基区电阻,Ic为集电极电流,β为电流增益。放大器的等效输入噪声电压Eni

    3其中Rs为源电阻。由式(3)可见,Eni与工作电流有密切关系。由式(1)—(3)可得使Eni最小的最佳集电极电流Icpt为附图低噪声放大器电路图考虑到晶体管低频噪声的影响,输人级工作电流设计为1.25mA。为减小输入级噪声所采取的措施为:

    a、降低输入级晶体管T1T2的噪声,主要是减小基区电阻,这一点通过版图设计实现;

    b、在T12的发射极串联电阻R2,可有效地减小偏置电流源T12的输出噪声电流;

    c、减小输人级器件发射极串联电阻Re,兼顾噪声性能和稳定性,Re设计为10Ω。

    d、第一级采用双端输出形式,这样偏置电流源的噪声相当于共模信号,其影响完全可以忽略;e、采用电阻负载,避免噪声性能差的p—n—p管作有源负载。

    2、中间级和输出级电路的设计中间级电路由T3—T0组成。因为中间级对总噪声的影响小,该级电路设计主要考虑提高增益、频带和电压转换速率。为保证这一点,电路中采用密勒电容补偿。按频率为2MHz时输出最大电压幅度为7V计算,转换速率应大于88v/μs.该电路转换速率的设计值为133V/μs。输出级由互补的T10T11组成,其中T11为纵向p—n—p管,T7射极跟随器是为增大负载能力而增加的。

    (3)、偏置电路的设计T12R2与主偏网络T13R3组成电阻比例恒流源,如附图所示的这种连接方式使电路具有共模负反馈作用,例如,输入共模信号增加时,T1T2的集电极电位下降,T18基极电位也下降,导致T12的电流减小,从而又使得T1T2的集电极电位上升。这一负反馈作用使电路的共模抑制比和温度稳定性提高。

    四、低噪声前置放大器的电路设计考虑这种电路主要应考虑几点要求:

    (1)第一级要求功率增益大,以减少后级引人噪声。一般采用共射电路,但为了提高电路工作的稳定性、加强频带可采用共射共基形式或共射共集形式。

    (2)前置放大级不应有负反馈,因为反馈会使增益下降,从而使后级噪声加大。

    此外,反馈电阻又会引入附加噪声。为低噪声前置放大器考虑到频带问题而引入适当负反馈,也不可过强。(3)低噪声前置放大级的偏置电阻也会引入附加噪声电流。

    五、低噪声前置放大器应具有防止外部干扰措施传感器与低噪声前置放大器相连接,除了考虑最佳的噪声匹配以减少测量系统噪声外,但很多情况下杂波不完全来自内部噪声,还有外部干扰。例如:电台干扰是调幅波、电火花是脉冲波,电源干扰是50Hz低频波等。对于这些干扰应采取相应措一施。譬如:电源干扰应采取进线滤波作用,或电源电压加之屏蔽;来自电磁场干扰(高频干扰)采用屏蔽盒抑制;信号之间寄生藕合抑制可采用滤波或供电分开;传感器和测量系统间相连接往往产生电场干扰,可采用单层或双层屏蔽传输线进行抑制等。

    六、合理布局布线对基于低噪声运放的传感器前置放大器而言,元器件的布局布线也是影响其性能的重要因素,对元器件的布局布线有一些与普通电路不同的特殊要求。这些特殊要求都是基于这类放大器自身特点和应用特点提出来的。在布局布线时,有几个问题需要特别注意:传感器信号传输电缆的正确接地;放大器输入信号回路的正确接地;去耦电容的合理选用;漏电流的减小或消除。目前一些超低噪声高精度运放的输入失调电流已由纳安(nA)降至皮安(pA),使得电路板表面漏电流成为不可忽视的问题。假若设电路板上运放的电源线与运放的输入引脚之间的电路板的绝缘电阻为R1。对于FR-4电路板来说,R1最大约为1011Ω若运放的电源为15V,则流入运放输入端的漏电流为150pA。这一电流可能大于运放的输入失调电流,而且这一电流还会随绝缘条件的变化(如温度变化)而变化。解决这一问题的方法是增强绝缘,必要时还可使用?;せ坊虮;さ缂?。

    七、结论基于低噪声运放的传感器前置放大器设计复杂,涉及很多理论与技术问题,且有些重要问题的解决方法相互矛盾,需要权衡后作出折衷。实践证明,只要合理选择元器件、合理设计电路及合理布局布线,基于低噪声运放的传感器前置放大器,在很多情况下可以满足应用需要。随着相关技术的不断发展,基于低噪声运放的传感器前置放大器必将逐步取代分立元件的传感器前置放大器。若需要这类前置放大器的增益可变,可将前面讨论的设计方法与可变增益放大器的设计方法结合起来。通过输入级最佳工作电流的设计、合理的电路设计和版图设计,并采取其它降低噪声的措施,利用p—n结隔离集成电路工艺研制的低噪声放大器,还具有频带宽和转换速率大等特点。这对提高传感器的灵敏度和测量范围有重要意义。以上是我对低噪声前置放大器设计方法提出的方案,也许还有许多不足,以后会加强改进的。




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