面向空間引力波探測的程控低噪聲高精度電壓基準源*

王嘉偉 李健博 李番 鄭立昂 高子超 安炳南 馬正磊 尹王保 田龍3)? 鄭耀輝3)??

1) (山西大學光電研究所,量子光學與光量子器件國家重點實驗室,太原 030006)

2) (山西大學激光光譜研究所,量子光學與光量子器件國家重點實驗室,太原 030006)

3) (山西大學,極端光學協同創新中心,太原 030006)

引力波探測打開了探索宇宙的新窗口,開啟了多信使天文學時代.大型激光干涉儀作為空間及地基引力波探測裝置,需要使用低噪聲激光光源,通過光電負反饋降噪技術可以抑制激光噪聲,提高大型激光干涉儀的靈敏度.光電負反饋控制需要將光電探測器信號與電壓基準源信號相減,之后經過比例積分微分器得到誤差信號,來控制泵浦電流驅動器的輸出功率,從而實現激光噪聲抑制.由于光電探測器信號受激光強度影響,其輸出電壓在一定范圍內變化,這就需要電壓基準源信號的輸出電壓可變;另外,電壓基準源的性能直接影響反饋控制環路的整體性能,是激光噪聲抑制的下限.本文通過選定低噪聲基準芯片及數模轉換芯片,設計外控電路、采用低溫漂系數元件、通過精密布板及電磁屏蔽等方案,研發高精度低噪聲程控電壓基準源;并通過可編程邏輯門陣列模塊編程控制數模轉換,實現程控電壓基準源輸出電壓精密變化.結果表明: 所研發的電壓基準源輸出電壓范圍為—10 V—＋10 V,輸出電壓分辨率達20 bit,在空間引力波頻段輸出電壓的相對噪聲譜密度低于9.6 ×10—6 Hz—1/2,基準源噪聲性能均優于相應引力波探測中對激光強度噪聲要求,為引力波探測中激光強度噪聲抑制等方面提供關鍵器件支撐.

1 引言

引力波的探測為進一步研究宇宙提供了全新的觀測手段,由于其在傳播過程中不會被天體阻擋,能夠攜帶傳統電磁探測無法攜帶的信息,同時引力波避免了宇宙起源時對電磁輻射的不透明性,對人類探索宇宙的起源和演化具有重要的意義[1-4].大型激光干涉儀作為空間引力波探測裝置,需要使用低噪聲激光光源構建大尺度空間激光干涉儀,由于空間引力波探測系統致力于探測頻段為0.1 mHz—1 Hz 范圍的由雙致密星系統、以及極大質量比雙黑洞天體并合時產生的引力波,這就需要激光光源在探測頻段具有更低的噪聲[5].

相比于被動模式清潔器抑制噪聲[6,7],激光注入鎖定抑制噪聲[8,9]、基于半導體光放大增益飽和效應抑噪方案,光電負反饋控制泵浦電流不會引入過大的腔損耗,因此不會造成激光功率的明顯衰減,更重要的是其他抑噪方法大多應用于兆赫茲或者千赫茲頻段噪聲抑制,而光電反饋抑噪技術在低至毫赫茲處仍有顯著的抑噪效果,所以采用光電負反饋法是進行低頻段激光強度噪聲抑制的有效技術手段[10],其原理是利用光電探測器探測待穩定激光,并將其轉化成電信號,然后與穩定的基準電壓源進行比較獲取誤差信號,之后經伺服系統輸出反饋信號,并作用于泵浦源的驅動電路,通過改變泵浦電流實現對激光器輸出功率的調節,從而抑制強度噪聲[11].低噪聲高穩定性的電壓基準源是光電負反饋法中的關鍵器件,為了提高強度噪聲抑制反饋效果,需要降低其電子學噪聲,并拓展基準源動態工作范圍.

電壓基準源最早是用齊納二極管的反向穩壓實現的.對于齊納二極管,因其具有相當薄的耗盡區,當反向偏壓在齊納電壓附近時,耗盡區兩側的電場便足以從價帶中拉出電子,以至于齊納二極管兩端電壓變化較小時也可產生很大的電流變化,這種狀態稱為齊納擊穿,齊納擊穿是可恢復過程,其為齊納二極管的正常工作狀態,所以可以根據其伏安特性實現穩定的電壓輸出.在1964 年,Hilbiber[12]利用不同類型NPN 管PN 結不同的溫度系數相互抵消,得到了一個可穩定工作12000 h 噪聲控制在10 μV 的參考電壓源.而在1971 年,Widlar[13]利用晶體管發射極-基極電壓的負溫度系數和兩個工作在不同電流密度下的晶體管發射極-基極電壓差的正溫度系數相互一階抵消,得到了在常溫下溫度系數為零的參考電壓源.當溫度T=0 ℃的時候,此電壓源輸出的參考電壓恰好就是硅的帶隙電壓(1.205 V).所以這類基準被命名為“帶隙基準”,由于發射極-基極電壓具有很好的片上一致性,其偏差僅有±2%—±5%,這讓帶隙基準成為如今最為常用的基準之一.隨著工業的發展,采用CMOS工藝的電壓基準源在精度,穩定度和集成度方面均有所提升,且降低了功耗[14,15],但COMS 的帶隙電壓基準的速度較低,驅動能力差,無法應用于高集成度高響應速度的領域中,在空間引力波光電反饋抑噪中不會優先考慮使用帶隙電壓基準.

初期的齊納二極管擊穿發生在硅表層,硅表層不僅有更多雜質、品格缺陷和機械應力,而且更容易受表面氧化層中遷移電荷和外界環境的影響,這導致功耗大,初始精度低,長期穩定性差,而且其溫度系數差,噪聲較大,這不利于空間引力波探測的低頻抑噪工作.而隨著技術進步,深埋型齊納二極管得以實現,它將擊穿區植入硅表面以下,從而避免表層影響,相較于表層齊納二極管,其在溫漂系數,時間漂移和噪聲特性等方面都有顯著提升.而且其具有很高的初始精度,噪聲電壓低、工作電壓范圍寬,可用于12 位或更高分辨率的系統當中.在二十世紀八十年代,美國Linear 公司使用了齊納二極管深埋技術生產了噪聲水平在1 ppm 以下的LTZ1000 基準電壓芯片[16].美國Analog Devices公司生產的AD587 芯片使用的離子植入嵌入式齊納二極管同樣屬于深埋齊納二極管,其電壓噪聲水平可達0.5 ppm 以下[17].

各種各樣的電路結構為電壓基準源的發展奠定了基礎;然而,對于基準電壓源在低頻段的性能表現,卻是近些年隨著引力波話題的出現才逐漸引起人們的重視的,在此之前鮮有對基準源的噪聲進行分頻段表征.2005 年,德國小組基于AD587 實現了0.1 mHz 處相對噪聲功率譜密度為6.1×10—6Hz—1/2的10 V 固定輸出電壓基準源[10];筆者課題組在發展空間引力波頻段強度噪聲評估系統基礎上[18],也研發了基于深埋型齊納二極管的LTZ1000 基準電源,相對噪聲功率譜密度在0.01 mHz 時達到1.8×10—3Hz—1/2,在0.1 mHz—1 Hz 的頻率范圍內在4.9×10—4Hz—1/2以下[19].上述都是固定電壓輸出的基準源,通過精密數模轉換可以用于研發輸出電壓可變的基準源[20],但仍需對其在空間引力波頻段的噪聲特性進行測試評估與噪聲表征.

本文通過選定低噪聲基準芯片及數模轉換芯片,設計外控電路、采用低溫漂系數元件、通過溫控及電磁屏蔽等,研發高精度低噪聲程控電壓基準源;并通過可編程邏輯門陣列(FPGA)模塊編程控制數模轉換,實現基準源電壓變化,以此來配合數字比例積分微分電路(PID)進行整個反饋系統的數字化控制,并實現自校準基準輸出,解決了手動調節模擬電路操控精度低的問題.

2 程控精密電壓基準源設計

程控高精度可調電壓源的工作原理如圖1 所示,包含高穩定參考電壓基準、高分辨率數模轉換以及程控軟硬件等部分.其中高穩定參考電壓基準作為整個程控可變電壓源的電壓基準,其噪聲及穩定性直接影響整個系統的絕對精度.

圖1 程控基準源原理示意圖Fig.1.Schematic diagram of the programmable reference source.

根據空間引力波探測的需要,在篩選基準芯片時主要關注其溫漂系數與電壓噪聲.對比兩種常用的深埋齊納二極管電壓基準芯片AD587 與LTZ1000性能,其中AD587 的溫漂系數為5 ppm/℃,電壓噪聲為0.4 ppm[17];而現在的LTZ1000 芯片的溫漂系數可達0.05 ppm/℃,電壓噪聲為0.17 ppm[16].故選取噪聲及溫漂系數小的LTZ1000 芯片作為基準芯片進行電壓基準源的設計.

隨后需要選擇合適的高精度數模轉換器(DAC)用以調節基準源輸出電壓,AD5791 是一款20 bit的單芯片無緩沖電壓輸出數模轉換器,其利用薄膜電阻匹配技術以及R-2R 精密電壓模式架構來實現1 ppm 相對精度以及0.05 ppm/℃的溫度漂移系數,且與標準SPI 接口兼容為設計程控系統提供了便利[20].

如圖2 所示,以LTZ1000 基準板子為外部參考電壓提供7.2 V 基準電壓輸入,經運算放大器ADA4077 將電壓放大至±10V供給主芯片AD5791,但因為DAC 基準輸入的輸入阻抗與碼高度相關,如果DAC 基準電壓源未經充分緩沖,將導致線性誤差.AD8676 的開環增益高達120 dB,經過驗證和測試,符合本電路應用關于建立時間、失調電壓和低阻抗驅動能力的要求.而AD5791 經過表征和工廠校準,可使用雙通道運算放大器AD8676 對其基準電壓輸入進行緩沖,從而進一步增強配套器件的可靠性.輸出端緩沖使用了AD8675,這是一款精密的寬帶寬運算放大器,具有超低的失調、漂移和電壓噪聲,而且輸入偏置電流在整個工作溫度范圍內均非常低,可以最大程度的保真輸出電壓.外部結合FPGA 或PC 給予AD5791芯片SPI 信號,以精準控制輸出電壓值.

圖2 程控基準源結構示意圖Fig.2.Schematic diagram of the programmable reference source structure.

在面向引力波探測的激光強度噪聲抑制中,需要將主激光束分出一部分激光用于光電探測,之后和電壓基準進行比較并作為誤差信號,經過PID后反饋到半導體泵浦源調控驅動電流,實現光電負反饋抑制激光噪聲.由于在不同激光輸出功率下進行分束以及光電探測增益不同,導致光電負反饋時光電探測輸出電壓不同,這就需要實現可調輸出電壓的基準源,同時在面向空間引力波激光噪聲評估與抑制中,研發相應的遠程控制及數字控制手段來適應空間技術應用的需求.

所以本文利用FPGA 模塊實現程控變壓基準,將PID 程控編碼到FPGA 模塊中,結合各種數字濾波實現對電壓基準源輸出的控制,FPGA 的優勢已經在光學腔鎖定等領域得到檢驗,可以為基于數字反饋控制技術實現激光噪聲抑制提供有效關鍵器件.

3 實驗裝置、過程及結果分析

在初步實現基于LTZ1000 芯片的單電壓輸出的基準電壓源基礎上,進一步結合數模轉換芯片(AD5791)進行整體程控可調變壓基準源的研發.在選擇低噪聲芯片基礎上,進行外圍電路設計,且外圍電路所需元件也需要低噪聲及低溫漂系數等要求,并進一步需要進行元件老化篩選,以便實現高穩定電壓輸出.

在選擇低噪聲芯片及元件基礎上,還需要遵循精密電路構建,采用數字控制端口、模擬變壓部分以及供電接口有效隔離,避免電源噪聲干擾數字控制信號及模擬信號輸出,以及利用數字地屏蔽數字時鐘及控制信號,避免數字脈沖電壓對其他器件的影響;將供電電源及接地回路有效布局,通過在電源供電端并聯旁路電容以及串聯磁珠電感等措施,可以避免電源噪聲耦合;各種布線的寬度遵循電流限制規則,避免高阻抗路徑.此外,將整體電路放置于電磁屏蔽外殼中,進一步消除外界電磁干擾,降低各種元件在整個電路中的噪聲耦合和干擾.

在低頻降噪工作中,由于溫度變化是誘使低頻噪聲出現的主要因素,所以在元件選擇上必須考慮低溫漂系數的元件.可以通過運算放大器失調電壓的溫度漂移來評估其性能,AD8675 與AD8676 具有小于0.6 μV/℃的失調電壓漂移,噪聲波動的峰峰值均在0.1 μV 以下;ADA4077 的失調電壓漂移小于0.55 μV/℃,長時間電壓漂移(10000 h)在0.5 μV以下[21-23].此外,為了實現高精度和高穩定性電壓輸出,利用絕熱材料包覆電磁屏蔽外殼,實現電路整體溫度穩定.

進一步,NI-PXIe 7852 FPGA 模塊擁有96 路數字IO 和8 路模擬I/O 接口,通過FPGA 編程可實現高精度數字反饋控制,信號和操作的同步與計時高度可控,數字線均可以靈活的獨立配置協議.利用此FPGA 模塊輸出多路數字控制時序進行數模操控,在實現可遠程控制、操控界面方便等優勢的同時,可進一步為實現數字化、智能化光電負反饋方案提供基礎.

圖3 展示了程控基準的測試實驗系統,由于目前沒有可靠的頻譜分析儀等設備可以直接分析空間引力波探測頻段0.1 mHz—1 Hz 頻段噪聲,使用高精度數字萬用表結合對數頻率軸功率譜密度估計算法[24-+],發展了一套低頻段激光強度噪聲測試評估技術[18].利用高精度數字萬用表采集程控變壓源輸出電壓,得到電壓噪聲時域噪聲信息,之后通過LPSD 算法進行譜密度分析,得到頻域噪聲信息,從而實現對電壓噪聲的全面分析.

圖3 低噪聲程控基準源測試實驗系統示意圖(λ/2: 半波片;PBS: 偏振分束器;PD: 光電探測器;PID: 比例積分微分運算器;DAC: 數模轉換器)Fig.3.Schematic diagram of the low-noise numerical control reference source test experimental system (λ/2: half-wave-plate;PBS:polarization beam splitter;PD: photodetector;PID: proportional-integral-derivative arithmetic unit;DAC: digital-analogconverter).

在采集數據前,需要將所有設備進行1—2 h預熱穩定,輸出電壓信號經屏蔽線纜輸入高精度萬用表,通過LabVIEW 編寫的操控及算法評估程序對高精度萬用表進行直流電壓信號采集以及LPSD算法[27,28].為了保證極低頻段激光強度噪聲的準確性,必須對儀器部件等可能的噪聲源進行低頻段評估表征,這就需要確定高精度數字萬用表儀器本底噪聲是否滿足實驗需求.

進一步重新對外部單一輸出的基準源進行布局設計,故需測量基于LTZ1000 芯片的基準電壓輸出.實驗結果如圖4 所示,其中圖4(a)為時域數據,根據數據統計可知,在5 h 內,LTZ1000 芯片波動峰峰值為 2×10-5V,均值為 7 .11297 V;圖4(b)為LPSD 算法處理結果,由處理結果可知LTZ1000 的噪聲在0.1 mHz—1 Hz 范圍內低于1.4×10—6Hz—1/2,在1 mHz—1 Hz 范圍低于6.7×10—7Hz—1/2,此噪聲水平低于LISA 對星載激光強度噪聲要求(2×10—4Hz—1/2@0.1 mHz—1 Hz)3 個數量級.

圖4 LTZ1000 芯片輸出與3458 A 電子學噪聲 (a)時域信號;(b)噪聲功率譜Fig.4.LTZ1000 chip output and 3458 A electronic noise: (a) Time domain;(b) spectrum estimations.

將LTZ1000 提供的單一輸出基準信號接入AD5791 參考電壓端,利用FPGA 模塊編程輸出10 路數字信號,分別控制AD5791 芯片的“SCLK”,“SDIN”,“CLR”,“INVCC”,“DGND”,“SYNC”,“LDAC”,“DGND”,“RESET”,“SDO”等十路信號,根據特定時鐘以及控制時序可以使AD5791 內部數模轉換[20],進而得到不同基準電壓輸出,圖5(a)顯示了一組在連續改變數字控制編碼基礎上,程控基準源線性變化實驗結果,可知程控變壓基準源輸出電壓范圍為±10 V,圖5(b)為電壓變化步長實際測試結果,從實驗結果可知實測輸出電壓最小步長為18.99±0.68 μV,達到20 bit分辨率.

圖5 (a)基準輸出范圍測試;(b)基準輸出電壓精度測試Fig.5.(a) Reference output range test;(b) reference output voltage accuracy test.

進一步,將程控基準源輸出設置為1 V,5 V,7 V,10 V,測量其長期輸出穩定性及頻域噪聲特性,實驗結果如圖6 所示,其中圖6(a)中從上往下依次為不同輸出設置時5 h 內的時域數據,圖6(b)為對應頻域數據,從圖6(b)可知,輸出電壓在10 V±5 μV 時,在0.1 mHz 處,基準輸出電壓的相對噪聲功率譜密度為2.0×10—6Hz—1/2;輸出電壓在7 V±5 μV 時,在0.1 mHz 處,噪聲為3.3×10—6Hz—1/2;輸出電壓在5 V±5 μV 時,0.1 mHz 處,噪聲為4.2×10—6Hz—1/2;輸出電壓在1 V±5 μV,在0.1 mHz 處,噪聲為9.6×10—6Hz—1/2.可見,程控基準在其工作電壓范圍內均可達到引力波探測所要求的噪聲水平.

圖6 (a)程控基準源1—10 V 輸出;(b)程控基準源1—10 V 輸出的噪聲功率譜Fig.6.(a) 1—10 V output of programmable reference source;(b) noise power spectrum of 1—10 V output of the programmable reference source.

4 結論與展望

基于LTZ1000 低噪聲基準芯片,結合高精度數模轉換器及精密外圍電路設計,并通過FPGA模塊編程等技術手段研發出精密程控電壓基準源.利用高精度數字萬用表對基準源輸出電壓進行長時間測試采集,并通過LPSD 算法進行頻域噪聲評估,實現對所研發基準源輸出電壓噪聲的時域及頻域全方位評估測試.所研發基準源在輸出電壓為1 V,5 V,7 V 和10 V 時,5 h 內時域噪聲均小于1.3 ppm,其相對噪聲譜密度均小于9.6×10—6Hz—1/2@0.1 mHz,1.2×10—6Hz—1/2@1 mHz 及3.1×10—7Hz—1/2@1 Hz;從線性度測試中可知程控基準源的輸出電壓范圍為±10 V,輸出電壓分辨率達20 bit;在此基礎上,通過編程可實現基于FPGA模塊的數字PID 算法,則可為0.1 mHz—1 Hz 頻率范圍內的光電反饋抑制激光強度噪聲提供基準電壓精密輸出及數字PID 相結合的全鏈條反饋控制回路,為空間引力波探測中抑制激光噪聲提供方案及關鍵器件.