射頻輻射抗擾環(huán)境中微弱信號放大電路的設(shè)計與驗證

李澍，趙東杰，蘇宗文

1.中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050；

2.北京物資學(xué)院 北京高校物流技術(shù)工程研究中心，北京 101149

射頻輻射抗擾環(huán)境中微弱信號放大電路的設(shè)計與驗證

李澍1，趙東杰2，蘇宗文1

1.中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050；

2.北京物資學(xué)院 北京高校物流技術(shù)工程研究中心，北京 101149

本文闡述了射頻輻射抗擾環(huán)境中微弱信號放大電路的設(shè)計過程、實現(xiàn)方法以及驗證過程，并總結(jié)了優(yōu)化電路性能的關(guān)鍵點(diǎn)。測試結(jié)果表明，該電路具有較好的抗擾度，可輔助醫(yī)療器械實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量。

輻射抗擾；信號放大電路；噪聲水平；電壓漂移；線性范圍

目前醫(yī)療器械電磁兼容檢測過程中，絕大部分用于測試器械性能和安全的輔助設(shè)備（如監(jiān)控傳感器、溫度傳感器）的設(shè)計過程中并沒有考慮電磁兼容性。同時，試驗發(fā)現(xiàn)，即使采用金屬屏蔽、接地等措施將輔助設(shè)備隔離，但由于屏蔽的不完整性以及輻射設(shè)備本身的連接導(dǎo)線，仍會有相當(dāng)程度的干擾施加到輔助設(shè)備上。如果輔助設(shè)備的抗擾度很差，那么將無從判斷受試設(shè)備在施加干擾時的性能[1]。

通過提升輔助設(shè)備的抗擾度的措施是理想但不切實際的，因為醫(yī)療器械的檢測設(shè)備眾多，且都較為精密，有些設(shè)備從原理上就決定了其無法耐受較強(qiáng)的電磁輻射。一個合適的替代解決方式是盡可能地將輔助設(shè)備的主體部分放置至電磁暗室外部，在暗室內(nèi)部僅保留輔助設(shè)備的探測器（傳感器）部分；并通過合適的手段將探測器輸出的微弱電信號經(jīng)長距離傳輸至暗室外。由于電磁暗室是一個絕對受控的電磁環(huán)境，與外界通信一般都采取光纖或者波導(dǎo)管的形式（圖1）[2]。

由圖1可知，實現(xiàn)傳感器遠(yuǎn)距離測量的核心是設(shè)計合理的信號放大電路。本文主要研究射頻輻射抗擾條件下的微弱信號放大電路，同時總結(jié)電路板低噪聲設(shè)計的要點(diǎn)。

1 設(shè)計過程

1.1 設(shè)計原理及設(shè)計框架

對于微弱信號檢測，通常要用多級放大器級聯(lián)才能完成信號轉(zhuǎn)換與放大任務(wù)[3-4]。前置放大是離子電流放大的第一級，也是引入噪聲的主要環(huán)節(jié)之一。根據(jù)弗里斯公式[4]，級聯(lián)放大電路的總噪聲系數(shù)F可表示為：

各級放大器的噪聲系數(shù)分別為：F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)M；功率增益分別為K1，K2，…，KM。如果第一級增益K1足夠大，則系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要取決于第一級噪聲系數(shù)F1。在設(shè)計用于微弱信號檢測的低噪聲放大電路時，必須保證第一級的噪聲系數(shù)足夠小，因此器件選擇和反饋電路設(shè)計至關(guān)重要[5]。同時，由于放大電路的固有噪聲以及外界干擾往往比需要測量的有用信號幅值高1～2個數(shù)量級[6]，只靠單純的信號放大是不能把微弱信號檢測出來的，只有在有效的輸入屏蔽條件下同時增大微弱信號的放大倍數(shù)，才能提取出有用信號[7]。

根據(jù)以上思路，本設(shè)計采取二級放大加濾波的模式。第一級采取前置放大電路，使用輸入偏置電流極低的高增益運(yùn)放進(jìn)行I/V變換，同時在輸入端使用電流井進(jìn)行輸入信號的屏蔽保護(hù)；第二級使用一個低噪電壓運(yùn)放進(jìn)行微弱信號的放大，并配合使用二階低通濾波電路濾除系統(tǒng)噪聲。整體電路通過內(nèi)屏蔽層和外屏蔽層實現(xiàn)對外部干擾的有效屏蔽。總體設(shè)計方案框圖，見圖2。

1.2 實現(xiàn)方法

按照總體框架，設(shè)計的微弱信號放大電路圖，見圖3。

1.2.1 前置放大電路（I/V轉(zhuǎn)換）

對于微弱信號放大電路來說，前置放大器實質(zhì)上是一個“電流/電壓”（I/V）轉(zhuǎn)換器，可將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，在運(yùn)放反相端和輸出端跨接一個反饋電阻，使離子電流流過跨阻輸出電壓，反饋電阻值越大信噪比越高。但是反饋電阻過大將引入很強(qiáng)的噪聲（如工頻噪聲、射頻噪聲），極大地影響電路的精度和穩(wěn)定性；其次，反饋電阻大，要求運(yùn)放的輸入阻抗更大，否則就會產(chǎn)生分流，從而增大了輸偏置電流，造成輸出電壓下降。

本設(shè)計（圖3中I/V轉(zhuǎn)換部分）采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)方法，通過將3個小電阻（R1、R2、R3）等效為一個較大的等效電阻，有效地降低噪聲；為了進(jìn)一步減小從輸入端耦合的干擾噪聲，在T型電阻網(wǎng)絡(luò)兩端并聯(lián)一電容C1，形成一RC低通濾波。RC濾波可限制運(yùn)放的閉環(huán)帶寬，降低高頻噪聲，并且可利用電容C1進(jìn)行相位補(bǔ)償，抑制噪聲增益曲線的峰值。核心放大器的選擇要求是：輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流及輸入失調(diào)電壓小；噪聲?。还材Ｒ种票却?；輸入阻抗大；溫度漂移小。高精度運(yùn)算放大器OPA129UB可以滿足此要求。

前置放大電路的輸出電壓為：

由于R1?R3，電路的增益主要由R1和R3/R2來確定。通過調(diào)節(jié)R3/R2的比值可以得到需要的放大倍數(shù)，保證系統(tǒng)反饋電阻的等效阻值較大，避免直接使用大電阻帶來的負(fù)面影響。

反饋電阻的阻值選擇是增益和帶寬妥協(xié)的結(jié)果。反饋電阻越大，信號帶寬越窄，信號畸變的可能性就越大；同時反饋電阻也影響著C1的取值，反饋電阻越大，電容值越小，其就越敏感，電容值的微小變化對系統(tǒng)輸出影響較大，可增加系統(tǒng)的不確定性，造成電路的重復(fù)性較差。在反饋電阻類型的選擇上，為了降低1/f噪聲和提高電路精度，選用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。電容選擇低噪聲的云母電容。綜合以上因素，電路參數(shù)設(shè)定為：R1=100 MΩ，R2=10 kΩ，R3=2 kΩ，C1= 0.5 pF。

1.2.2 二級放大電路

前置放大通常由于運(yùn)放帶寬的限制，放大倍數(shù)不夠，并且前置運(yùn)放的帶載能力低，所以需要對信號進(jìn)行二級放大（圖3中電壓放大部分）。

前置電路的電流電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

當(dāng)輸入電流為1 pA時，輸出電壓僅為600 μV。微伏級的信號信噪比一般很低，輸入級選擇不當(dāng)會使噪聲將信號完全湮沒，因此要求放大器具有高的共模抑制比、極低的輸入噪聲。

二級放大電路選用低噪高速運(yùn)放LT1028，主要性能參數(shù)如下：輸入失調(diào)電壓最大為40 μV；電壓噪聲在1 kHz處最大為1.1 nV/；轉(zhuǎn)換速率為11 V/μs；增益帶寬乘積為50 MHz。

參照公式(3)，二級放大電路輸出電壓為：

因此信號調(diào)理電路總增益為7.2×1010V/A。

1.2.3 Sallen-Key二階低通濾波電路

由于傳感器轉(zhuǎn)化信號非常微弱，射頻干擾源一旦耦合到檢測電路，將對檢測信號產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時，射頻電磁場抗擾度試驗中，幅度調(diào)制頻率為1 kHz或者2 kHz，且傳感器輸出頻率基本＜50 Hz，主要噪聲頻率均＞50 Hz，因此首先考慮使用低通濾波的方法來克服噪聲的不利影響，提高信號的信噪比。目前，最常用的是RC有源模擬濾波器，由運(yùn)放、電阻和電容構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。使用Sallen-Key結(jié)構(gòu)的二階低通濾波電路可有效降低噪聲水平，同時可有效抑制噪聲干擾。

使用Ti公司的FilterPro3.0完成結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計。巴特沃茲二階濾波器通過Sallen-Key結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，濾波器的截止頻率為：f=，可見，當(dāng)R7=R8=R，濾波器的截止頻率主要取決于C3、C4的值，因此根據(jù)FilterPro的設(shè)計結(jié)果，將C4取0.1 uF，C3在0.2 uF附近取值，能夠最大程度地降低噪聲，提高信噪比。

1.2.4 電路性能優(yōu)化考慮

原理圖設(shè)計完成后，印制電路板（PCB）布局也是提高微弱信號放大電路性能的關(guān)鍵因素。為了提高測量微弱電流的精度和準(zhǔn)確度，本設(shè)計需要注意：① 采用絕緣強(qiáng)度高、漏電流小的印刷電路板-環(huán)氧玻璃板；② I/V轉(zhuǎn)換部分的工作電流最后要經(jīng)地線流回電源，避免其他單元較大的電流在I/V轉(zhuǎn)換部分的接地點(diǎn)之間產(chǎn)生較大電位差；③ I/V轉(zhuǎn)換部分的運(yùn)算放大器及其外接阻容件應(yīng)就近安放，各接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近；④ 運(yùn)算放大器及其周圍應(yīng)大面積敷銅，并與電源單點(diǎn)接地；運(yùn)算放大器的反相和同相入端應(yīng)用接地屏蔽環(huán)將其包圍起來，使二者等電位，保證他們之間不產(chǎn)生漏電流。

同時，微弱電流輸入信號線應(yīng)采用高絕緣、低噪聲的屏蔽電纜線；屏蔽電纜的屏蔽層要單端接地，輸入信號電纜應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源線并且要盡量短；輸入信號電纜應(yīng)盡量避免振動、扭曲等機(jī)械變形，防止因壓電效應(yīng)和摩擦生電效應(yīng)而產(chǎn)生干擾。電路板焊好后，用無水乙醇進(jìn)行超聲清洗以處理殘留雜質(zhì)及金屬屑，然后再做干燥防潮處理。然后進(jìn)行全部密封處理，尤其是反饋電阻更應(yīng)密封、防潮、防光照、防電磁干擾，為此將整個微弱電流放大器用鋁合金盒屏蔽起來，通過SMA插頭連接輸入與輸出信號。通過上述的降噪處理，可以降低系統(tǒng)噪聲。

2 測試驗證

2.1 噪聲水平

測試不同工作條件下的信號調(diào)理電路輸出噪聲水平。圖4分別為關(guān)閉射頻電場和射頻電場分別為3 V/m、10 V/m時，系統(tǒng)輸出信號的白噪聲水平。由圖可見，隨著射頻電壓的升高，系統(tǒng)噪聲有一定升高。這說明射頻電場是系統(tǒng)的主要噪聲來源，其既可能通過傳感器電路內(nèi)部耦合進(jìn)檢測電極，又可能通過空間電磁輻射對檢測電路產(chǎn)生干擾[8]。

利用有效值（Root Mean Square，RMS）評估噪聲水平[9]。計算出3個圖譜的噪聲RMS分別為：0.74 mV、0.81 mV、1.8 mV。通常使用6.6倍有效值定義噪聲峰值，因為其出現(xiàn)的時間概率＜0.1%，則3個圖譜的噪聲峰值別為：4.8 mV、5.3 mV、11.8 mV。由此可知，盡管噪聲水平隨射頻場幅度的增加而增大，傳感器信號的噪聲峰值仍被控制在12 mV以內(nèi)。

2.2 電壓漂移和線性范圍

測試信號放大電路長時間下（24 h）的電壓漂移，輸出電壓漂移僅為+0.5 mV，穩(wěn)定度較高。微電流放大器輸出的線性范圍，見表1。可以看出，線性范圍能夠達(dá)到3個數(shù)量級（R2=99.4%），能滿足高精確度測量的要求。

3 結(jié)論

在電磁兼容抗擾度試驗中，會有大量干擾施加到輔助設(shè)備上，如果輔助設(shè)備的抗擾度差，就會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確，那么將無從判斷受試設(shè)備在施加干擾時的性能。通過使用信號放大電路，從而實現(xiàn)信號的遠(yuǎn)程測量，是解決上述問題的一個有效手段。

筆者設(shè)計的微弱信號放大電路的測試精度可控制在±0.1 pA，線性量程能達(dá)到3個數(shù)量級，平均在24 h內(nèi)的電壓漂移量≤0.5 mV，測試精度及穩(wěn)定性可用于傳感信號的放大測量；采用鋰電池對系統(tǒng)進(jìn)行供電，既免除了電源紋波的影響，也使得電路使用更加便攜化；通過兩層屏蔽，使得該電路針對射頻輻射抗擾具有較好的抗擾度，可輔助設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量。

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Design and Validation of Amplif i cation Circuit for Weak Signals in Radiofrequency Radiation Immunity Environment

LI Shu1, ZHAO Dong-jie2, SU Zong-wen1
1.Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China;
2.Research Center of Logistics Technology Engineering for Universities in Beijing, Beijing Wuzi University, Beijing 101149, China

This paper introduced the design process, implementation methods and validation process of an amplification circuit for weak signals in radiofrequency radiation immunity environment, and summarized key points of improving the circuit performance. The validation results showed that the circuit with favourable noise immunity will be of assistance to the remote measurement of medical equipment.

radiation immunity; signal amplif i cation circuit; noise level; voltage drift; linearity range

TN03

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.09.040

1674-1633(2014)09-0109-03

2014-07-25

2014-08-01

國家科技支撐計劃課題（2012BAI22B04）；北京高校物流技術(shù)工程研究中心項目資助（BJLE2010）；北京物資學(xué)院青年科研基金項目資助（2014XJQN15）。

蘇宗文，高級工程師。

作者郵箱：ooszwoo@126.com