用于檢測[1f]電噪聲的低噪聲放大器設計與仿真

摘 要： [1f]低頻電噪聲是評估半導體器件質量和壽命的一個重要因素。由于[1f]低頻電噪聲極其微弱，為了檢測它，同時最大程度降低放大器的本底噪聲，低噪聲放大器的設計和實現是至關重要的一個環節。針對[1f]低頻電噪聲信號的特性，在現有低噪聲放大器基礎上進行優化改進，設計出一款頻率極低的低噪聲放大器，在0.1 Hz～100 kHz頻率下具有高增益和低噪聲特性。仿真結果表明，在10 Hz處噪聲系數達到1.80 dB。

關鍵詞： [1f]噪聲； 極低頻； 高增益； 低噪聲放大器

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0080?04

隨著通信、生物等眾多領域對微弱信號檢測的要求日益提高，放大器對低噪聲的要求已成為弱信號檢測的重要課題之一。放大器的本底噪聲對微弱信號的影響不可忽視，低頻段噪聲對被測[1f]信號影響最大，因此必須對低頻段的本底噪聲進行有效地抑制[1]。當前國內對低頻低噪聲放大器的研究較少、難度較大，并且應用于[1f]電噪聲信號放大并不理想，具體表現為帶寬下限的最低頻率不夠低，以及對極低頻率噪聲的抑制不夠好。因此，本文針對放大[1f]電噪聲信號，進行放大器的低噪聲設計。

1 放大器的低噪聲設計

1.1 放大器設計原理

放大器設計目標是放大已提取出的[1f]信號，同時降低放大器本身的[1f]噪聲。[1f]噪聲信號具有以下特點：頻率范圍低，頻率越低幅度越大，最低頻率極低，可小于1 Hz，電壓幅度在10-7～10-5 V之間[2]。因此可以確定放大器為超低頻放大器，且輸入信號幅度為μV量級。已知放大器的帶寬增益積為定值，而[1f]信號的頻帶范圍較窄，所以可以通過合理的降低帶寬，來增加放大器的增益，更好地放大微弱信號。

在滿足增益以及帶寬特性的同時，降低放大器的本底噪聲，只采用一級放大是不能實現的。因此，采用多級放大來進行設計[3]。根據費里斯公式可知，級聯放大器的總噪聲系數F有如下關系：

[F=F1+F2-1K1+F3-1K1K2+…+FN-1K1K2…KN] （1）

式中：FN為各級的噪聲系數；KN為各級的增益。費里斯公式說明級聯放大器中各級的噪聲系數對總噪聲系數的影響是不同的，越是前級影響越大，第一級影響最大。因此，在設計用于微弱信號的低噪聲放大器時，必須確保第一級的噪聲系數足夠小[4]。

另外，為了更好地抑制漂移，以及降低干擾，應盡量選用高精度器件，精密的穩壓源，采用高阻值電阻，并且選取適當的輸入方式。為了提高電路的最大不失真輸出電壓，應盡量減少三極管的數量。設計原理框圖見圖1。

輸入端放大器件選用結型場效應管JFET，具有輸入阻抗高、噪聲系數小、熱穩定性好、防輻射能力強的特點[5?7]。二級放大為儀表放大器，儀表放大器為一種特殊的放大器結構，由3個運算放大器構成，具有非常低直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開路增益、非常大的共模抑制比、高輸入阻抗，通常用于需要精確性和穩定性非常高的電路[8]。經設計后的放大器可將本底噪聲抑制到nV量級，同時，在1 Hz～500 kHz范圍內增益高達80 dB。

1.2 實驗電路的仿真分析

根據設計原理設計出放大器的原理圖，其電路仿真原理圖如圖2所示。

1.3 典型電路分析

1.3.1 JFET差分放大

JEET原理圖如圖3所示，J1，R1，R4，C1和J11，R11，R5，C11對稱，兩個JFET構成差分放大結構，抗干擾能力強，能夠很好地抑制漂移，降低本底噪聲，提高輸入端噪聲性能。

R2和C2具有濾波作用，經實驗測試，C2為10 pF時，最高頻率可高達1 MHz，C2越高，最高頻率越低。R3作用在于調整電路放大倍數，以及為下一級提供偏置，經計算取值680 Ω。信號經JFET差分電路反向放大，輸入至下一級。

1.3.2 PNP反相器

如圖4所示，R6，R7以及上一級的R3，為PNP提供靜態工作點，使信號不失真放大。實驗測試表明，將R6，R7從10 kΩ量級提高至100 kΩ量級，噪聲效果有顯著提升，等效輸入噪聲能夠降低[13]。反向后的信號經C14和R10構成的濾波器，輸出至下一級。

通常情況三極管過多會降低放大器的最大不失真輸出電壓，因此本級只采用一個三極管作為反相器，將第一級反相放大的信號變為與輸入級同相的信號。

1.3.3 儀表放大器模塊

電路如圖5所示，其中一個同相端輸入信號，另一同相端接地，此種輸入方式為偽差分輸入。相對于差分輸入方式，其優點在于在偽差分模式下，負端輸入是不隨時間變化的，僅僅是一個參考值。因此能夠減小信號與設備的參考地電位不同所造成的影響，提高了測量的精度。

圖5中R21和R22，R33以及R24，R25和R26，R27決定了儀表放大器的增益，經測試，圖示阻值可使總增益達到80 dB。而儀表放大器選用美信公司的MAX412和MAX410作為核心運算放大器芯片，其性能優秀：電壓增益高，轉換速率快，供電的電流低至2.5 mA，供電的電壓低至±2.4～±5 V，具有28 MHz的增益帶寬，噪聲系數低，在1 kHz頻率時的輸入電壓噪聲密度 [9]低于2.4 nV。在80 dB增益下，通頻帶較第一級足夠寬，滿足設計要求。

2 仿真分析及仿真結果

設計中選取PSpice為仿真軟件，對電路的特性進行分析。

2.1 時域分析

輸入信號選取VSIN，選取Time Domain類型，仿真時間10 ms，勾選Temperature Sweep，將溫度設置為25 ℃，進行仿真。通過調整VSIN的交流分量，可以分析出放大器的最大不失真輸出電壓為0.1 mV，當輸入信號為1 nV時，可明顯看出零點漂移為3.5 μV，電路放大倍數約為10 000倍，可分析出電路將漂移抑制到0.35 nV，因此可知放大器正常工作的電壓輸入范圍為0.01～100 μV，圖6為1 μV輸入時的輸出波形。

2.2 頻域分析

在VAC選取1 μV的條件下，進行AC Sweep/Noise類型仿真，掃描類型選取Log，起始頻率設為0.1 Hz，結束頻率設為1 MHz，單位取樣點數設為10，勾選Temperature Sweep，將溫度設置為25 ℃，進行仿真。

2.2.1 增益特性

對DB（V（OUT）/V（IN））進行追蹤，頻率響應如圖7所示，可知放大器增益為80 dB，-3 dB通頻帶為0.1 Hz～500 kHz，滿足設計目標要求。

2.2.2 噪聲特性

對V（INOISE） / SQRT（Frequency）進行追蹤，所得等效輸入噪聲曲線如圖8所示，可分析得出噪聲特性如表1所示，仿真出的噪聲特性十分良好。由于噪聲的功率譜密度隨頻率變化呈現冪指數變化，當頻率過高時，單位頻率下的等效輸入噪聲已經衰減至很低，并且輸入的[ 1f]電噪聲信號的高頻分量很小，所以取100 kHz作為上限截止頻率進行分析。

表1 等效輸入噪聲的頻率特性

2.2.3 熱穩定性

在Temperature Sweep設置-40 ℃，25 ℃，75 ℃三個溫度調節，進行仿真。

增益特性如圖9所示，可知溫度由低到高變化時，增益隨之變大，但帶寬比較穩定，0.1 Hz～500 kHz。

噪聲特性如圖10所示，當溫度變化時，等效輸入噪聲特性幾乎不變，具有較高的穩定性。

在商業級的溫度條件下，放大器熱穩定性較好，可以在0.1 Hz～100 kHz下保持良好的性能

2.3 放大[1f]信號的仿真分析

根據[1f]信號特性，由其頻域進行快速傅里葉變換FFT，得到時域波形。根據波形及采樣點數據，用折線波信號源VPULSE仿真出[1f]信號源作為輸入，其輸入/輸出波形如圖11所示，因此可確定放大器放大[1f]波形型信號的可行性。

2.4 噪聲系數計算

系統的噪聲系數為：

[FN=10lgEni24KTRS=20lgEni4KTRS] （2）

式中：K為波爾茲曼常數1.38×10-23 J/K；T取室溫300 K；RS取50 Ω；Eni為單位頻率下的等效輸入噪聲，通過Pspice頻域分析，可獲取單一頻率下的等效輸入噪聲。在10 Hz時，第一級JFET放大器等效輸入噪聲Eni=0.75 [nVHz]，計算出第一級的噪聲系數F1=-1.68 dB，說明第一級放大對本底噪聲的抑制能力非常強。

放大器整體的等效輸入噪聲Eni=1.12 [nVHz]，計算系統在10 Hz處的噪聲系數：FN=1.80 dB。

3 結 語

本文針對放大[1f]電噪聲信號，提出了抑制本底噪聲的方法并設計仿真，第一級為超低噪聲低增益放大，第二級為高增益低噪聲放大。仿真實驗證明，該放大器在1 Hz～500 kHz下增益可高達80 dB，且具有良好的噪聲特性，在10 Hz處的噪聲可低至1.12 nV/[Hz]，噪聲系數為1.80 dB。可以實現對[1f]低頻電噪聲信號的低噪聲放大功能。

參考文獻

[1] 周原野.低噪聲放大器在低頻中的應用研究[J].湖北工業大學學報，2006，21（5）：42?44.

[2] 梵玉波.半導體激光器[1f]噪聲的實驗研究[D].長春：吉林大學，2008.

[3] 王瑛劍，董俊宏，王永斌，等.一種微型超低頻低噪聲放大器電路的設計及噪聲分析[J].長江大學學報，2004（4）：45?47.

[4] 譚超，董浩斌.低頻μV信號放大器的設計與制作[J].電測與儀表，2007，44（11）：55?58.

[5] 張曉飛，董浩斌，魯永康.一款JFET低噪聲前置放大器的設計[J].工程地球物理學報，2009（3）：348?351.

[6] 尹輝.基于場效應管的低噪聲前置放大器的研究和設計[D].長春：吉林大學，2009.

[7] 高美蓉.如何抑制直接耦合放大電路中零點漂移[J].現代電子技術，2010，33（12）：13?15.

[8] 於慧敏.儀表放大器工作原理及其新型應用[J].電子世界，2012（15）：102?103.

[9] 常莉，沈博，魯永康，等.一款超低噪聲前置放大器的設計[J].電子器件，2008，31（6）：1854?1856.

[10] 武斌，姜麗，尹亞蘭.超低頻放大器的低噪聲和抗干擾設計與實現[J].電子工程師，2006，32（1）：28?30.

[11] 劉勇，安志鴻.低頻低噪聲放大器設計[C]//2007儀表自動化及先進集成技術大會論文集.重慶：中國儀器儀表學會，2007：322?325.