微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计
测量微弱信号的放大电路设计要点与技巧
测量微弱信号的放大电路设计要点与技巧测量微弱信号是科研领域中常见的实验任务之一，而放大电路设计则是实现这一目标的关键。
在本文中，我将探讨一些测量微弱信号的放大电路设计要点和技巧，希望能为科研工作者提供有益的指导。
首先，了解信号的性质至关重要。
微弱信号通常在低频范围内，并且很容易受到环境干扰。
因此，在设计放大电路时，要考虑选择适当的频率带宽。
一般来说，带宽应该比信号频率的两倍高，这样能够有效地避免高频噪声的干扰。
其次，选择合适的放大器是成功设计放大电路的关键。
低噪声放大器是测量微弱信号的理想选择，因为它们能够增加信号的幅度同时减少噪声的干扰。
常见的低噪声放大器包括运算放大器和差动放大器。
运算放大器广泛应用于各种测量仪器中，而差动放大器则在抵抗共模噪声方面表现出色。
此外，合理设置放大器的增益也是非常重要的。
过高的增益可能会引入更多的噪声，因此需要在信号幅度和噪声干扰之间寻找一个平衡点。
经验表明，设置适当的增益可以确保信号得到放大，同时保持噪声干扰的最低程度。
在设计放大电路时，还需要注意地线的布局和连接。
地线是将电路与外界连接的重要通道，不良的地线布局可能导致干扰信号的引入。
因此，要确保地线布线短小粗直，尽量减少环路面积，以减少可能引入的噪声干扰。
此外，选择合适的滤波器也是测量微弱信号的成功关键之一。
滤波器能够消除信号中的杂散噪声，从而提高信噪比。
常见的滤波器类型包括低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
不同的信号频率需要不同类型的滤波器，因此在设计放大电路时要仔细选择合适的滤波器。
最后，校准和调整放大电路也是设计过程中的关键环节。
由于不同的器件走线、元件容差等原因，放大电路可能存在一些偏差。
因此，需要通过校准和调整来保证放大电路的准确性和稳定性。
校准过程中需要使用特定的校准仪器和设备，例如示波器和信号发生器。
综上所述，设计测量微弱信号的放大电路需要特别关注信号性质、放大器选择、增益设置、地线布局、滤波器选择和校准调整等方面。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测装置是一种用于检测和测量微弱信号的仪器，广泛应用于科学研究和工程实践中。
本文将从设计原理、关键技术和应用场景三个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
微弱信号检测装置的设计原理主要基于信号增强和噪声抑制两个方面。
对于微弱信号的增强，常用的方法包括放大、滤波和频谱分析等。
放大是通过放大器对信号进行增益放大，使信号的幅度变大，从而便于测量和分析。
滤波是通过滤波器对信号进行频率筛选，去除不需要的频率成分，提高信号的纯度和可测量性。
频谱分析是通过对信号进行频谱分解，将信号在频域上进行分析，找出信号中的频率成分和能量分布。
对于噪声的抑制，常用的方法包括降噪算法和滤波器设计等。
降噪算法通过对信号进行数字信号处理，去除噪声成分，提高信号与噪声之间的信噪比。
滤波器设计则是通过设计合适的滤波器，将噪声成分在一定频率范围内进行抑制。
微弱信号检测装置的关键技术主要包括低噪声设计、高精度采样和高精度测量。
低噪声设计是为了降低仪器自身的噪声水平，提高信号与噪声之间的信噪比。
其中包括采用低噪声器件和电路设计、提高系统的灵敏度和动态范围等。
高精度采样是为了保证对微弱信号的准确采样和测量。
其中包括提高采样器的采样率、增加采样深度和增加采样通道数等。
高精度测量是为了保证对微弱信号的准确测量和分析。
其中包括提高测量设备的精度、减小系统误差和提高数据处理算法的准确性等。
微弱信号检测装置的应用场景非常广泛，包括物理实验、天文观测、生物医学和无线通信等领域。
在物理实验中，微弱信号检测装置可以用于检测物质的微弱轰击、光子信号和微小振动等。
在天文观测中，微弱信号检测装置可以用于检测星际信号、宇宙背景辐射和射电天文信号等。
在生物医学中，微弱信号检测装置可以用于检测心电信号、脑电信号和生物分子信号等。
在无线通信中，微弱信号检测装置可以用于检测低功率信号、弱信号接收和频谱监测等。
微弱信号检测装置是一种重要的仪器设备，具有广泛的应用前景。
宽带低噪声放大器的设计
宽带低噪声放大器的设计摘要:低噪声放大器(LNA)是雷达、通信、电子对抗、遥测遥控等电子系统中关键的微波部件，有广泛的应用价值。
本文在给出了低噪声放大器的主要技术指标及低噪声放大器的设计方法的基础上,采用负反馈技术，并使用ADS2003C 对整个匹配网络进行优化设计，实现了在0.35-2.5GHz 的超宽带频率范围的低噪声放大器的设计。
关键词：低噪声放大器（LNA ）、负反馈、噪声系数0、引言：系统接收灵敏度的计算公式如下：S= -174+ NF+10㏒BW+S/N由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF ，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。
下图1为二端口网络示意图：图1为二端口网络示意图 根据戴维南定理，输入输出匹配网络以及多级放大器的级间匹配网络，都可以归结为图 1 所示的无源二端口网络的设计，当Z S ，Z L 之中有一个是纯电阻时，称为单端口匹配问题；当Z S ，Z L 均为复数阻抗时，称为双端匹配问题。
在微波多级放大器电路中，匹配网络一般由传输线，无耗集总元件构成。
本文经过对低噪声放大器的各种重要参数进行分析，结合指标要求，采用负反馈技术设计宽带低噪声放大器。
然后使用仿真软件ADS2003C ，对放大器的匹网络进行优化设计，得出了符合指标的匹配网络，提高了设计效率。
1.低噪声放大器的主要技术指标1.1噪声系数NF放大器的噪声系数NF 可定义如下outout in in N S N S NF // （1）式中，NF 为微波部件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率；S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。
噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。
通常，噪声系数用分贝数表示，此时)lg(10)(NF dB NF = （2）对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：（3）1.2放大器增益G放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：G=Pout / Pin低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测在许多领域都有着重要的应用，比如无线通信、生物医学、天文测量等。
设计一种高效的微弱信号检测装置对于提高信号检测的灵敏度和准确性至关重要。
本文将从硬件设计和信号处理两个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
一、硬件设计1. 低噪声放大器在微弱信号检测装置中，低噪声放大器是至关重要的组件。
由于微弱信号本身具有较低的能量，因此在信号放大的过程中，放大器的噪声也会对信号检测产生较大的影响。
低噪声放大器可以有效地抑制噪声，并且提高信噪比，从而更好地检测微弱信号。
在设计低噪声放大器时，需要考虑放大器的增益、带宽、输入输出阻抗等参数，同时在电路设计上采用低噪声元件和优化的布局方式，以尽量减小放大器本身的噪声。
2. 滤波器在微弱信号检测中，滤波器起着至关重要的作用。
由于环境中可能存在各种干扰信号，比如电磁干扰、交流干扰等，因此需要采用滤波器来剔除这些干扰信号，保留下需要检测的微弱信号。
常见的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器等，通过合理设计滤波器的参数和特性，可以有效地滤除不需要的频率成分，提高信号的纯净度。
3. 高精度模拟数字转换器（ADC）在微弱信号检测装置中，通常需要将模拟信号转换为数字信号进行后续处理。
高精度的模拟数字转换器是必不可少的组件。
高精度ADC可以有效地保持信号的原始信息，并且提高信号的采样精度和分辨率，从而更好地还原微弱信号的细节和特征。
4. 高灵敏度探测器高灵敏度的探测器对于微弱信号的检测非常重要。
在无线通信中，微弱的无线信号可能需要通过天线进行接收，因此天线的灵敏度直接影响信号的接收效果。
在生物医学领域，微弱的生物信号需要通过生物传感器进行检测，因此生物传感器的灵敏度非常重要。
在设计高灵敏度探测器时，需综合考虑探测器的灵敏度、稳定性和信噪比，以达到最佳的检测效果。
二、信号处理在微弱信号检测中，由于信号本身较弱，可能会受到一些非理想因素的影响，比如噪声、干扰等。
低噪声放大器设计
低噪声放大器设计随着电子技术的不断发展，低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称LNA）在无线通信和微波领域的重要性不断提升。
低噪声放大器的主要作用是在前置放大器中放大微弱信号，同时将噪声压制到最小，以保证整个系统的性能。
低噪声放大器的噪声系数是衡量其性能的重要指标，通常用dB比值或者分贝数来表示，简称Nf。
低噪声放大器的设计要确保Nf足够低，才能在微弱信号中产生足够的增益且不引入过多的噪声。
因此，低噪声放大器的设计非常重要。
一、低噪声放大器设计的挑战在设计低噪声放大器时，需要面临几个挑战。
第一，如何处理噪声。
在放大器中，噪声来自于电阻、晶体管的温度、元器件的起伏等因素，噪声在传输信号时会被放大。
因此，设计低噪声放大器需要充分考虑噪声的来源，并采取合适的抑制措施，以保证系统的高效运作。
第二，如何改善热噪声。
热噪声是低噪声放大器中一个常见的问题，是由器件本身热引起的噪声。
为了减小热噪声，需要减小器件的温度，采用低噪声晶体管等高品质元器件来代替常规器件，并减小元器件之间的串扰。
第三，如何平衡增益和噪声。
低噪声放大器需要在增益和噪声之间进行权衡，在增益和噪声之间找到平衡点。
增加放大器的增益会对噪声产生影响，因此需要采用低失真、高效率的放大器设计来保证放大器的性能。
二、低噪声放大器的设计要点低噪声放大器的设计要点主要包括器件选择、电路结构、滤波器和匹配等。
器件选择是设计低噪声放大器时非常关键的一个方面，选择适当的低噪声、低电荷、高频率的晶体管材料，能提高系统的性能，也能减小噪声系数。
电路结构是设计低噪声放大器时的另外一个重要方面。
直接耦合放大器和共源放大器是常见的电路结构，其中直接耦合放大器简单、稳定，但增益和噪声系数会受到限制。
而共源放大器的增益和噪声系数的选择范围更大，但也更过程更为复杂。
此外，混频器的阻抗匹配和反馈网络设计也是设计低噪声放大器的重要方面。
滤波器也是设计低噪声放大器时需要重点考虑的方面之一。
微弱荧光信号检测放大器的低噪声设计
４６在许多仪器中需要对微弱荧光信号进行检测，荧光信号接收器一般由荧光信号传感器和荧光信号检测电路组成，既有外部噪声的干扰，又有内部噪声的影响。
可选用的荧光信号传感器有：ＣＣＤ成像系统、光电池、光电二极管、雪崩二极管和光电倍增管（ＰＭＴ）等。
ＰＭＴ性能最好但价格最贵，光电二极管比较便宜，体积小巧，在各种仪器中得到了日益广泛的应用。
由于荧光信号比较微弱，因此设法降低荧光信号接收器的噪声是成功设计的关键。
１光电二极管的两种模式工作［１］光电二极管和运放之间可以接成Ｉ－Ｖ变换电路形式（跨阻放大器），如图１ａ和１ｂ，输出电压均为ＶＯ＝ＩＰ・ＲＦ。
光电二极管可以两种模式工作，一是零偏置工作（光伏模式，如图１ａ），二是反偏置工作（光导模式，如图１ｂ）。
在光伏模式（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）时，增益较小，光电二极管可非常精确地线性工作；而在光导模式（Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）时，增益较高，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲线性性。
在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流，叫做暗电流（无照电流）。
在零偏置时则没有暗电流，这时二极管噪声基本上是反馈电阻ＲＦ产生的热噪声。
在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
在设计光电二极管过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的，而不是设计一种适用两种模式的且最优化的电路。
２荧光信号接收器噪声分析［１］， ［４］上面谈到的噪声仅是二极管自身的噪声。
图１中无论那种模式，整个接收器电路的噪声由三部分组成：（１）光电二极管的噪声（光伏模式仅热噪声，光导模式为热噪声与光电流产生的散粒噪声之和）；（２）反馈电阻Ｒｆ上产生的噪声；（３）放大器的噪声。
微弱荧光信号检测放大器的低噪声设计 王慧锋１ 陈晞２ 张芹３（１华东理工大学信息科学与工程学院自动化系 上海 ２００２３７，２上海精密科学仪器有限公司 上海２０００３０，３上海三科仪器有限公司 上海２０００３０）摘要 本文对采用光电二极管的荧光信号接收电路的工作模式和噪声进行了分析。
超宽带低噪声放大器设计与研究
摘要摘要随着信息化时代的到来，人们对通信的需求越来越高，为了提高通信效率、降低通信成本、加强通信安全性，超宽带技术（Ultra WideBand,UWB）应运而生。
而超宽带低噪声放大器作为无线接收机前端的重要模块，其性能直接影响着超宽带接受机的整体性能。
本文的研究对象为超宽带低噪声放大器。
在系统分析了近年来全球的超宽带低噪声放大器研究状况后，对超宽带低噪声放大器的实现原理进行了分析，并将目前主流的几种超宽带低噪声放大器拓扑结构进行了详细的分析以及对比，总结其优点以及缺点。
然后，在现有结构的基础上，提出一种新型的全对称自偏置低功耗的超宽带低噪声放大器电路，并进行设计仿真得到结果以及版图。
最后，在前文设计的基础上,又提出了一种结合人工神经网络工作特点，对超宽带低噪声放大器进行进一步优化的设计。
本次设计，主要结合了近年来超宽带低噪声放大器的主流设计架构，通过将可以实现带宽展宽的自偏置电阻负反馈匹配电路和用以实现良好阻抗匹配电感源极负反馈电路结合得到了电路的第一级结构即输入匹配级电路，在获得足够增益带宽的同时也满足了输入阻抗的匹配条件；而为了使低噪声放大器得到足够的增益尤其是高频增益，又进一步设计了第二级高频增益放大电路来使得总体电路的增益满足条件，并利用电感串联峰化技术将两级电路级联在一起以保证获得足够的工作带宽。
论文的第三章最后给出了本次超宽带低噪声放大器的仿真结果，其工作带宽为1GHz-10.6GHz，在此工作带宽内，电路增益为15.6-18dB，噪声系数NF为2.4dB-3.9dB，并实现了不错的输入阻抗匹配（S11<-10dB），而整个电路的功耗也较低，电路的总功耗仅仅为9.75mW。
同目前的同类研究对比，该电路的带宽、增益、噪声都有着一定的优势。
为了进一步提高超宽带低噪声放大器的性能，本文第四章提出了一种利用人工神经网络的记忆能力以及学习能力来对超宽带低噪声放大器性能进行优化的方法，并给出了实际案例。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测装置是一种用于检测低强度信号的仪器。
在许多应用场景中，我们需要检测并测量微弱信号，如天文观测、粒子物理实验、无线通信等。
微弱信号检测装置的设计旨在提高信号的信噪比，准确地检测和测量微弱信号。
在微弱信号检测装置的设计中，首先需要采取一系列措施来降低噪声的干扰，提高信号的可检测性。
一个重要的步骤是选择合适的放大器。
放大器应具有低噪声系数和高增益，以有效地放大微弱信号。
也可以采用差分放大器设计来抵消共模噪声。
需要采取屏蔽和隔离措施，防止外部噪声的干扰，如使用屏蔽盒、绝缘材料等。
微弱信号检测装置还需要采用合适的滤波器来对信号进行滤波处理。
滤波器可以消除杂散噪声和不相关信号的干扰，使得待测信号更加显著。
在滤波器的设计中，需要根据信号的频率范围和要求选择合适的滤波器类型，如低通滤波器、带通滤波器等。
微弱信号检测装置还需要采用适当的检波器对信号进行检测和测量。
检测器的选择可以根据信号的特性和要求来确定。
常见的检测器有峰值检测器、均方根检测器、包络检测器等。
这些检测器能够将微弱信号转化为可观测的电信号，并进行后续处理和分析。
为了提高微弱信号检测装置的性能，还可以采用一些增强技术。
可以采用锁相放大器技术来提高信号的信噪比。
锁相放大器可以利用参考信号对微弱信号进行同步检测，从而抑制噪声并提高信号的可靠性。
还可以采用数字信号处理技术对信号进行滤波、增强和分析等操作，进一步提高检测和测量的准确性和可靠性。
微弱信号检测装置的设计包括选择合适的放大器和滤波器、采用适当的检测器以及应用增强技术等。
这些设计措施有助于降低噪声干扰，提高信号的可检测性和测量的准确性。
未来随着技术的不断发展，微弱信号检测装置将在更多领域发挥作用。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测是许多科学领域和工程领域中的一个重要技术挑战，包括无线通信、雷达、医学诊断和科学研究等领域。
微弱信号检测装置是用来检测和测量微弱信号的设备，它需要具备高灵敏度、低噪声和高分辨率等特性。
本文将对微弱信号检测装置的设计原理和关键技术进行分析和探讨。
一、微弱信号检测装置的原理微弱信号检测装置的设计原理主要是利用信号放大和滤波技术来增强微弱信号的强度，并通过噪声抑制技术来提高信噪比。
一般来说，微弱信号检测装置包括前置放大器、滤波器、增益控制器和信号处理器等部件。
前置放大器是用来放大输入信号的强度，增加信号与噪声的差异，从而提高信噪比。
前置放大器的设计需要考虑到信号的频率范围、输入阻抗和放大倍数等参数。
滤波器则是用来去除输入信号中的杂散噪声和干扰信号，通常采用低通滤波器或带通滤波器来限制输入信号的频率范围。
增益控制器可以根据输入信号的强度来调节放大倍数，以避免过大的信号被过度放大而导致失真。
信号处理器则用来处理放大后的信号，包括采样、滤波、数字转换和数据分析等功能。
1. 低噪声放大器设计低噪声放大器是微弱信号检测装置中的关键部件，它需要具备高增益和低噪声的特性。
要设计一款低噪声放大器，需要考虑到放大器的噪声系数、输入电阻、输出阻抗和带宽等参数。
通常采用低噪声场效应管和双极晶体管来设计低噪声放大器，同时采用差分放大电路来提高信噪比。
还需要考虑到放大器的线性度和稳定性，以确保信号在放大过程中不会失真和漂移。
2. 信号滤波技术信号滤波技术是微弱信号检测装置中的另一个关键技术，它用来去除输入信号中的杂散噪声和干扰信号，从而提高信号的纯度和准确性。
通常采用主动滤波器和被动滤波器来设计信号滤波器，主动滤波器采用放大器和反馈网络来实现滤波功能，被动滤波器则采用电容和电感等元件来实现滤波功能。
还可以采用数字滤波器来进行数字信号处理，用于实现高精度和高分辨率的滤波效果。
3. 低功耗设计微弱信号检测装置通常需要长时间持续工作，因此需要考虑到功耗和热量的控制。
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计
产能经济微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计秦正波 任羊弟 王 辉 安徽师范大学物理与电子信息学院摘要：本文简要报道了微型超低噪音宽带快电荷灵敏前置放大器。
该放大器主要采用高增益宽带低噪音电压反馈型集成运放芯片OPA847，其低电压输入噪音低至0.85nV/Hz1/2, 带宽高至3.9GHz。
整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，该前置放大器具有电路结构简单、紧凑，超高速，极低噪音，超高稳定性等优点。
经实验测试，该放大器能有效进行微弱信号的放大和噪音的抑制，可广泛应用于普通物理实验的光电探测的前置放大，科研上也具有较可观的应用前景。
关键词：微弱信号检测；前置放大器；超低噪音中图分类号：TN722 文献识别码：A 文章编号：1001-828X(2017)007-0339-02The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurementQIN Zheng-bo，REN Yang-di，WANG Hui(Department of Physics, Anhui Normal University, Wuhu 241000, Anhui, China)Abstract: A miniature, ultra-low-noise, and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth, low-noise, voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan, which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple, compact, super-high speed, ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research.Key words: weak signal detection; pre-amplifier; ultra-low-noise引言在大学物理实验中的光电测量，光信息传输实验中的微弱信号检测或者飞行时间质谱实验中的质谱检测，无论光谱测量中使用的光电倍增管[1]，还是质谱实验中使用的微通道板[2-3]，最终输出的都是脉冲电子流，尤其是电子流具有瞬态性和高速性(10-9秒)，而普通的低带宽的放大器无法有效的进行高速电子脉冲信号的放大，并且会造成时间积分上的拉宽，造成信号损失乃至丢失，最终可能不为采集装置所采集，因此从检测器上所获得的微弱信号，需要经过前置放大器进行预放大才可以被瞬态采集卡或者示波器进行信号采集及数据处理。
05～33GHz超宽带低噪声放大器设计
大，稳定性越好。所以可以通过选择高肛值的有源 器件来改善电路的稳定性ＨＪ。
一般可以通过铁氧体隔离器、源级负反馈、稳定 衰减器、增益衰减网络来改善晶体管的稳定性口３。
本设计中，我们可以在漏极上并联一个ＲＣ串联 电路（也可以添加ＬＣ或ＲＬ电路），增加输出稳定性
电路，但电阻值不能太大，以免影响高频信号的增益。
参考文献：
１Ｊ 陈邦嫒．射频通信电路［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６． ｎ心 钱可伟，田忠．０．１—２．８ＧＨｚ超宽带低噪声放大器的研
制［Ｊ］．电子元件与材料，２００８（８）：６２—６４． 口 刘长军，黄卡玛，吕丽萍．射频通信电路设计［Ｍ］．北
京：科学出版社，２００５． Ｈ１Ｊ，』１ｊ 张小兵．基于ＡＴＦ５４１４３的ＬＮＡ设计［Ｊ］．现代电子技
波通信领域。
关键词：射频接收系统；低噪声放大器；超宽带；负反馈；优化设计
中图分类号：ＴＮ７２２．３
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８９３ｘ．２００９．１２．０２３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ Ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ ＬＮＡ ｉｎ ０．５～３．３ＧＨｚ
ＸＩＡＯ Ｙｏｎ９１，ＦＡＮ Ｙｏｎ９１，ＹＡＮ Ｈｏｒｔ９２，ＬＩＵ Ｂｏ－ｆｉａｎ９２
图３岛。仿真结果 图４＆、Ｓ。。仿真结果
图５稳定性因子仿真结果 ·１０７·
万方数据
第４９卷第１２期 ２００９年１２月
也钆技衾
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．４９ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ． ２００９
４测试结果 装配好的放大器实物如图６所示，用矢量网络分
析仪和噪声系数分析仪进行测试。由于仿真设计与 实际器件必然存在差异，经过反复调试，最终较好地 满足了设计目标。由图７可知，在０．５—３．３ ＧＨｚ的 超宽带频率范围内，研制的低噪声放大器增益大于 ２５ ｄＢ，增益不平坦度为１．５，噪声系数不大于２ ｄＢ。
适用于微弱信号检测的低噪声仪表放大器
第37卷 第3期吉林大学学报(信息科学版)Vol.37 No.32019年5月Journal of Jilin University (Information Science Edition)May 2019文章编号:1671⁃5896(2019)03⁃0341⁃05适用于微弱信号检测的低噪声仪表放大器收稿日期:2019⁃01⁃28基金项目:吉林省科技发展计划重点攻关基金资助项目(20160204064GX)作者简介:李捷菲(1994 ),女,西安人,吉林大学硕士研究生,主要从事模拟集成电路设计研究,(Tel)86⁃156****6070(E⁃mail)pucike@;通讯作者:王富昕(1975 ),女,长春人,吉林大学高级工程师,主要从事计算机接口与组成研究,(Tel)86⁃130****3630(E⁃mail)wfx@㊂李捷菲1a ,尼启良2,王富昕1b(1.吉林大学a.电子科学与工程学院;b.计算机科学与技术学院,长春130012;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033)摘要:为解决传统仪表放大器的噪声与纹波等问题,设计了一种能测量微弱电信号的低噪声电容耦合斩波仪表放大器(CCIA:Capacitively⁃Coupled Chopper Instrumentation Amplifier),实现了极低的增益误差与等效噪声㊂通过采用斩波结构使输入共模电压达到轨对轨范围;两级折叠式共源共栅放大器能有效地提升开环增益;同时,纹波减少环路(RRL:Ripple Reduction Loop)可抑制CCIA 输出端的斩波纹波;可调正反馈回路(TPFL:Tunable Positive Feedback Loop)能提升CCIA 的输入阻抗;最后,直流伺服回路(DCL:DC Cancellation Loop)能抑制电极偏移并有利于微弱信号检测㊂CCIA 采用标准0.18μm CMOS 工艺实现,仿真结果表明,电路的增益误差为0.11%,在100Hz 下,等效输入参考噪声为6.98nV㊂关键词:仪表放大器;斩波;低噪声;高增益精度;波纹减少;正反馈环路中图分类号:TN453文献标识码:A Low Noise Instrumentation Amplifier for Small Signal DetectionLI Jiefei 1a ,NI Qiliang 2,WANG Fuxin 1b(1a.College of Electronic Science and Engineering;1b.College of Computer Science and Technology,Jilin University,Changchun 130012,China;2.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)Abstract :A low noise capacitively⁃coupled chopper instrumentation amplifier which is able to measure small signals is proposed.In this design,chopper is adopted which can make the input common⁃mode voltage achieve a rail⁃to⁃rail range and also has a low power consumption.A two stage folded⁃cascode opamp is employed to boost the open⁃loop gain effectively.Furthermore,a ripple reduction loop is used to suppress the chopping ripple at the output of the CCIA (Capacitively⁃Coupled Chopper Instrumentation Amplifier ).A tunable positive feedback loop based on the MOS capacitors is adopted to boost the input impedance of the CCIA opamp.At last,a DC(Direct Current)cancellation loop is introduced to suppress the electrode offset and to facilitate the weaksignal sensing.The CCIA is implemented in a standard 0.18μm CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)process.Simulation results show that the gain inaccuracy of proposed CCIA is 0.11%and the input referred noise is 6.98nV at 100Hz.Key words :instrumentation amplifier;chopper;low noise;high gain accuracy;ripple reduction;positive feedback loop 0 引 言在对微弱电信号进行检测时,模拟前端电路的仪表放大器是不可或缺的一部分㊂在应用中,幅值频带分布各异的被测信号对仪表放大器的性能有着更高的要求[1]㊂首先,仪表放大器应具有较低的等效噪声和失调电压,这是因为微弱信号(例如生物电信号等)的幅值有时可低至数微伏,若放大器自身噪声和失调电压过大,会导致后级电路无法从放大器输出端提取出有效信号[2,3];其次,仪表放大器的输入阻抗应尽可能大,以减少信号在读取过程中的衰减;最后,共模抑制比㊁功耗等问题也需要考虑[3]㊂为改善上述问题,学者们陆续提出了各种解决方案,如斩波与自动归零[4]等拓扑结构,以及可增大输入阻抗的三运放结构,电流反馈与电阻反馈结构等仪表放大器结构[5]㊂与其他结构相比,斩波结构不仅可消除由放大器的失调电压引起的非线性,还可有效地抑制整体噪声㊂采用斩波结构的电容耦合仪表放大器共模抑制比更高,功耗更小,但同时会产生输出纹波㊂因此,笔者采用纹波减小回路,可调正反馈环路和直流伺服回路等方式,使仪表放大器获得了低输出纹波㊁高输入阻抗和低电极失调电压等效果㊂1 斩波型电容耦合仪表放大器的基本原理1.1 斩波技术基本的斩波电路如图1所示,其中CH in 与CH out 为斩波开关,A 为放大器,LPF(Low⁃Pass Filter)为低通滤波器㊂图1 基本的斩波电路Fig.1 Basic circuit of chopper 斩波电路的工作原理如下:首先,被测信号V in 被CH in 调制到f chop 处,其中f chop 为斩波开关的工作频率,即斩波频率;然后,V a 与失调电压V os 被放大后送入CH out ,此后V in 重新回到低频,而V os 被调制到f chop 处;最后,通过低通滤波器,在输出端得到经放大的被测信号V out ㊂此过程中各点电压变化情况如图2实线所示,其中引入的失调电压V os 用虚线表示㊂可以看出,斩波电路极大地减小了失调与噪声的影响,但在输出端引入了纹波㊂图2 斩波电路的基本原理Fig.2 Basic principle of chopper 1.2 斩波型电容耦合仪表放大器斩波型电容耦合仪表放大器(CCIA:Capacitively⁃Coupled Chopper Instrumentation Amplifier)的基本架构如图3所示㊂图3 斩波型电容耦合仪表放大器的基本架构Fig.3 Architecture of capacitive⁃coupled chopper instrumentation amplifier 设由跨导放大器G m1和G m2组成的全差分放大器的开环直流增益为A 0㊂C m1,2为密勒补偿电容,C in1,2和C fb1,2为电容反馈网络[6]㊂CCIA 闭环增益G 推导为243吉林大学学报(信息科学版)第37卷G =A 01+A 0C fb1,2/C in1,2≈C in1,2C fb1,2(1)本实验G 通过反馈电容设置为100㊂2 电路架构2.1 基本放大器根据式(1)可知,为达到所需的增益精度,放大器的开环直流增益应足够大㊂因此,笔者采用如图4所示两级米勒补偿折叠式共源共栅放大器[6]㊂其中输入级是跨导放大器,输出级是由米勒补偿电容器形成的积分器,电流偏置采用了高摆幅结构㊂由于输出级的失调和噪声等效到输入端时要除以G m1,可忽略不计,因而CCIA 的失调和噪声主要由输入级贡献,可通过在版图上增加输入对管面积等方式减小[7]㊂图4 CCIA 中的两级折叠共源共栅放大器Fig.4 Schematic of the two stage folded⁃cascode amplifier in CCIA 2.2 可调正反馈环路从图3可知,CCIA 的输入阻抗近似为1/2f chop C in ,受斩波频率的限制,当斩波频率较大时,过小的输图5 可调正反馈环路的基本架构Fig.5 Block diagram of the tunable positive feedback loop入阻抗会导致读取过程中信号的衰减,同时也会增大从信号源抽取的电流I fb ㊂因此,可采用如图5所示的正反馈环路提升输入阻抗㊂此外,通过采用可编程MOS 电容,能实现可调输入阻抗㊂此环路将输出电压转换为补偿电流,并反馈回信号源㊂理想情况下,当反馈电流I pf 与I fb 相等时,CCIA的输入不再从信号源抽取电流,即此时输入阻抗为无穷大[6],上述情况可表示为I pf =2V out -V ()in f chop C pf =I fb =2V out f chop C fb(2)据此,正反馈电容C pf 的值应为C pf =C in1,2G -1(3)2.3 纹波减小回路由图2可见,当电路中引入斩波后,虽然噪声特性和失调电压得到明显改善,但同时会在输出端引入电压纹波㊂在本实验的CCIA 中,输出纹波主要是由放大器第2级的输入失调电压和1/f 噪声(即闪烁噪声,f 指频率)被调制到斩波频率而造成的㊂纹波值近似推导为[8]V ripple =V os G m12f chop C m1,2(4) 为有效抑制输出纹波,采用了由斩波器㊁电容器㊁积分器和跨导放大器组成的纹波抑制环路,如图6所示㊂基本思路是电容器可检测输出电压纹波,然后将其转换为交流电流;该交流电流随后通过积分器和跨导放大器,最终转换成补偿电流回到输入㊂343第3期李捷菲,等:适用于微弱信号检测的低噪声仪表放大器2.4 直流伺服回路CCIA的另一个缺点是电极直流失调电压(EDO:Electrode DC Offset)会被CH in调制并放大,最终使输出饱和㊂为了改善这种情况,可增加RC高通滤波器,但缺点是会增加额外的面积㊂笔者采用了可消除EDO的直流伺服回路(见图7),其中R dc是两个GΩ级的伪电阻㊂ 图6 纹波减小回路的基本架构 图7 直流伺服回路的基本架构 Fig.6 Block diagram of the Fig.7 Block diagram of the ripple reduction loop DC cancellation loop在此回路中,由G m3和C dc组成的积分器将输出端EDO积分后送入斩波器CH dc,最终反馈信号通过电容C dc对输入端进行补偿㊂电容耦合斩波放大器能承受的EDO的最大值V EDO,max由积分器的最大输出电压V int,max及电容的比率决定[9,10],近似为V EDO,max=C dc Cin V int,max(5)3 电路仿真结果3.1 周期交流仿真电路的周期交流仿真结果如图8所示㊂电容比例值G设为100㊂仿真结果显示,其闭环直流增益为39.96dB㊂由于高增益放大器的存在,CCIA在低频率下的增益误差为0.11%㊂3.2 噪声仿真结果如图9所示,横坐标为频率㊂上半部分是原始两级放大器的等效输入噪声曲线,下半部分是CCIA的等效输入噪声曲线㊂由图9可见,在100Hz处,原放大器的输入参考噪声达到1.32μV/sqrt(Hz),而CCIA为6.98nV/sqrt(Hz),输入参考噪声大大减少㊂ 图8 周期交流仿真结果 图9 噪声仿真结果 Fig.8 Periodic⁃ac simulation results Fig.9 Noise simulation results3.3 版图与后仿版图如图10所示,其中电容的布局应具有良好的匹配性,以使电容比例的偏差最小化㊂后仿的瞬态仿真结果如图11所示㊂5条曲线从上到下依次为2mV交流输入㊁CH in输出㊁放大器输出㊁CH out输出㊁最终输出信号㊂由图10可见,输出信号为200mV交流信号,即微弱输入信号被准确地放大了设定的倍数值100倍㊂同时由于纹波减小回路的存在,在斩波过程中造成的纹波被有效消除,输出信号的纹波较小㊂443吉林大学学报(信息科学版)第37卷 图10 版图 图11 瞬态仿真结果 Fig.10 Layout Fig.11 Transient simulation results4 结 语笔者提出了一种用于微弱电信号检测的低噪声电容耦合型斩波仪表放大器㊂采用可调正反馈环路提升输入阻抗,采用纹波减小回路降低输出电压纹波,采用直流伺服回路消除电极失调电压,同时由于采用了电容耦合斩波器拓扑结构而实现了高功率效率㊂CCIA 采用标准0.18μm CMOS 工艺实现㊂仿真结果表明,电路的增益误差为0.11%,输入参考噪声为6.98nV /sqrt (Hz)@100Hz㊂参考文献:[1]张立军,李力南.Research on Optimizing the Noise Figure of Low Noise Amplifier Method via Bias and Frequency [J].中国邮电高校学报:英文版,2011,18(4):118⁃122.ZHANG Lijun,LI Linan.Research on Optimizing the Noise Figure of Low Noise Amplifier Method via Bias and Frequency[J].Journal of China University of Posts and Telecommunications:English Edition,2011,18(4):118⁃122.[2]孙睿智,姜涛,纪永成,等.基于高动态时间数字转换器的单光子探测器[J].吉林大学学报:信息科学版,2018,36(4):381⁃385.SUN Ruizhi,JIANG Tao,JI Yongcheng,et al.Single⁃Photon Detection Based on High Dynamic Range Time⁃to⁃Digital Converter [J].Journal of Jilin University:Information Science Edition,2018,36(4):381⁃385.[3]HARRISON R R,CHARLES C.A Low⁃Power Low⁃Noise CMOS Amplifier for Neural Recording Applications [J].IEEEJournal of Solid⁃State Circuits,2003,38(6):3232⁃3243.[4]TIMOTHY DENISON,KELLY CONSOER,ANDY KELLY,et al.A 2.2μW 94nV /Hz ,Chopper⁃Stabilized Instrumentation Amplifier for EEG Detection in Chronic Implants [C]∥IEEE International Solid⁃State Circuits Conference.San Francisco,CA,USA:IEEE,2007:162⁃163.[5]ENZ C C,TEMES G C.Circuit Techniques for Reducing the Effects of Op⁃Amp Imperfections:Autozeroing,CorrelatedDouble Sampling,and Chopper Stabilization [J].Proc IEEE,1996,84(11):1584⁃1614.[6]MICHIEL A P PERTIJS,WILKO J KINDT.A 140dB⁃CMRR Current⁃Feedback Instrumentation Amplifier Employing Ping⁃Pong Auto⁃Zeroing and Chopping [J].IEEE Journal of Solid⁃State Circuits,2010,45(12):2044⁃2056.[7]FAN Qinwen,SEBASTIANO F,HUIJSING J H,et al.8μW 60nV /Hz Capacitively⁃Coupled Chopper Instrumentation Amplifier in 65nm CMOS for Wireless Sensor Nodes [J].IEEE Journal of Solid⁃State Circuits,2011,46(7):1534⁃1543.[8]DENISON T,CONSOER K,SANTA W,et al.A 2μW 100nV /Hz Chopper⁃Stabilized Instrumentation Amplifier for Chronic Measurement of Neural Field Potentials [J].IEEE Journal of Solid⁃State Circuits,2007,42(12):2934⁃2945.[9]WU Rong,KOFI A A MAKINWA,JOHAN H HUIJSING.A Chopper Current⁃Feedback Instrumentation Amplifier with a1MHz 1/f Noise Corner and an AC⁃Coupled Ripple Reduction Loop [J].IEEE Journal of Solid⁃State Circuits,2009,44(12):3232⁃3243.[10]秦政,董阳涛,赵梦恋,等.一种带有新型纹波抑制环路的电容耦合生物医学仪表放大器[J].微电子学与计算机,2018,35(8):31⁃35.QIN Zheng,DONG Yangtao,ZHAO Menglian,et al.A Capacitively⁃Coupled Biomedical Instrumentation Amplifier with Novel Ripple Reduction Loop [J].Microelectronics &Computer,2018,35(8):31⁃35.(责任编辑:刘俏亮)543第3期李捷菲,等:适用于微弱信号检测的低噪声仪表放大器。
cr中的微弱信号检测与低噪声放大电路设计
cr中的微弱信号检测与低噪声放大电路设计在生物技术的日新月异的发展下，微弱信号检测（MSD）及其相关的低噪声放大（LNA）电路设计在研究和发展中变得越发重要。
微弱信号检测和低噪声放大技术被广泛应用于卫星通信、高性能脉冲探测系统和电子耳、医疗设备等多个方面，是生物医学技术仪器和从业人员的基础知识和技术依据。
一、微弱信号检测技术1、检测组成微弱信号检测系统组成有：模拟电路、数模转换、读取、采样等。
模拟电路可以有效放大低电平信号，包括放大电路、低通滤波器、带噪消除器等；数模转换用于将放大后的微弱信号转换为数字信号；读取部分对数字信号进行分析处理；采样等，用于捕捉微弱信号的时域特性。
2、优缺点微弱信号检测设备能够实时监测信号、及时跟踪微弱信号的变化趋势，还具有高灵敏性、高精准度、无反馈、自动检测等优点，是当今科学技术研究领域的重要工具。
但它也存在一些缺点，比如动态范围小、安装复杂、重量较大等。
二、低噪声放大电路设计1、噪声补偿技术低噪声放大（LNA）电路是电子世界中的一种重要电路，用于应用在低噪声放大的不同场合。
其设计的基础是通过噪声补偿（NC）技术可以有效降低电路的噪声，更好地满足放大时的精度要求。
2、射频功率放大器此外，LNA电路还具备射频功率放大器（PA）功能，能够放大输入的射频信号，有效提高了收发效率。
而且，它能够消除多种移相噪声，仅仅依靠一种放大器就可以实现传输射频信号的目的，节省了硬件成本。
三、结论微弱信号检测和低噪声放大技术是生物医学技术仪器和从业人员的基础知识，它在生物医学仪器、电子耳、航空航天系统等多领域起着非常重要的作用。
在微弱信号检测的基础上，应用低噪声放大技术可以一定程度上消除可能的失真，以达到精确检测的目的。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测装置是一种用于探测低信噪比信号的装置，广泛应用于无线通信、天文学、地球物理学、生物医学等领域。
其设计的关键是提高信号的检测灵敏度和降低噪声的干扰。
设计微弱信号检测装置应该选择合适的检测方法。
常用的方法包括锁相放大、功率谱分析、调频信号检测等。
根据实际需求选择适当的检测方法，能够提高信号的检测灵敏度。
提高信号的检测灵敏度需要降低噪声的干扰。
设计中应该采取一系列措施来减小噪声的影响。
使用低噪声放大器来放大信号，使用低噪声滤波器来滤除噪声，使用高品质的接收天线来增加信号的接收强度等。
信号的检测灵敏度还受到设备本身的性能限制。
在设计微弱信号检测装置时，需要优选器件和部件，以确保其具有良好的性能。
选择低噪声、高增益的放大器，选择高精度、低漂移的滤波器，选择高灵敏度、宽带宽的收发器等。
在设计过程中还应该考虑其他影响因素，如温度、电源稳定性、传输线匹配等。
这些因素可能会对信号的检测和测量结果产生影响，因此需要在设计中予以考虑，并采取相应的措施进行补偿或抑制。
微弱信号检测装置的设计需要综合考虑检测方法、噪声抑制、设备性能以及其他影响因素。
通过合理选择器件和部件、优化设计方案，能够提高微弱信号的检测灵敏度，从而实现对低信噪比信号的准确检测。
0.35-2.5GHz 超宽带低噪声放大器的设计
0.35-2.5GHz 超宽带低噪声放大器的设计桂林电子科技大学信息与通信学院 葛广顶 康红艳Ge Guang-Ding Kang Hong-Yan摘要探讨了一种超宽带低噪声放大器的设计方法，其匹配网络是由微带与集总元件共同组成。
设计采用了PHEMT 晶体管（ATF-54143）。
采用负反馈技术，并使用ADS2003C 对整个匹配网络进行优化设计，实现了在0.35-2.5GHz 的超宽带频率范围内，增益G>25dB,增益不平坦度为dB 25.1±，噪声系数 NF<1.1，输入、输出驻波比 VSWR1（VSWR2）<2.0。
提高了设计效率。
该放大器可制作在，相对介电常数为2.65， 厚度h 为1mm 的介质基板上。
关键词超宽带；低噪声放大器；负反馈；优化设计中图分类号：TN722 文献标识码：A1引言宽频带放大器是有源微波电路中的典型代表。
宽频带匹配网络的设计则是宽频带放大器设计的中心问题之一[1]。
图1 二端口网络示意图根据戴维南定理，输入输出匹配网络以及多级放大器的级间匹配网络，都可以归结为图1所示的无源二端口网络N 的设计，当S Z ，l Z 之中有一个是纯电阻时，称为单端口匹配问题；当S Z ，l Z 均为复数阻抗时，称为双端匹配问题。
在微波多级放大器电路中，匹配网络一般由传输线，无耗集总元件构成。
本文经过对低噪声放大器的各种重要参数进行分析，结合指标要求，采用负反馈技术设计宽带低噪声放大器。
然后使用仿真软件ADS2003C，对放大器的匹网络进行优化设计，得出了符合指标的匹配网络，提高了设计效率。
2 低噪声放大器参数分析2.1 噪声系数整个电路的总噪声系数：121/)1(G NF NF NF −+=总关键在于第一级网络的噪声系数1NF 和增益1G 。
但是降低噪声系数的同时，必须考虑与低噪声相冲突的其他参数，如稳定性、增益等。
最低噪声特性和最大增益是不能同时实现的，需要根据设计的指标寻求一个折衷 [2]-[5]。
微弱信号检测：噪声与低噪声设计
T
0
xdt 0
T
均方值:
1 x lim T T
0
x 2 dt D( x)
均方根值:
x 2 D( x)
Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST
2. 噪声测量 交流电测量 i = I m sin ωt 整流后测平均值：
Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST
二． 电阻的接触噪声（1/f） 原因：电导率不均匀，材料不同。 大小：Uex2=KIDC2R2/f ―――红噪声
碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻―――变小。 措施：选高质量电阻，减少IDC.
五. 噪声源的相关性
相关系数:设二随机噪声u1(t)、u2(t),则定义相关系数C为：
1 C lim 2T
T
T
T
u1 t u2 t dt
2 u12 u2
两噪声相加得：u2= u12 +u22+2C u1 u2 当C＝0，u1，u2独立，互不相关，u2= u12 +u22 当C＝±1， 完全相关。 C＝＋1 , u= u1 +u2 C＝－1 , u= u1－u2 当/C/＜1， 部分相关。 实际计算时，C一般取C＝0，则对于多个噪声源， u2= u12 +u22+u32+u42+------Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST
0.03～3 GHz超宽带低噪声放大器设计
0.03～3 GHz超宽带低噪声放大器设计王志鹏;文继国【摘要】采用噪声较小,增益较高且工作电流较低的放大器芯片WHM0035,利用MMIC芯片,研制出一款具有增益调节功能的宽带低噪声放大器,提高了整体系统的动态范围,同时具有耦合检波的功能.在0.03～3 GHz范围内,其增益大于20 dB,平坦度小于±0.5 dB,并且通过MMIC芯片可对放大器增益在0.5～31.5 dB范围内进行数控衰减,噪声系数小于2.14 dB,工作电流小于150 mA,驻波比小于1.8,在50 dBm的动态检波范围,检波电压线性输出.该低噪声放大器体积小,频带宽,具有检波功能以及可控增益功能,可应用于各种微波通讯领域.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)024【总页数】5页(P54-57,63)【关键词】低噪声放大器;数控衰减;耦合检波;微波通讯【作者】王志鹏;文继国【作者单位】成都信息工程大学电子工程学院,四川双流 610225;成都信息工程大学电子工程学院,四川双流 610225【正文语种】中文【中图分类】TN839由于超宽带（Ultra-Wideband）信号的功率谱密度非常低，频带跨度大，信号难以被检查到，再加上采用跳频、直接序列扩频等扩频多址技术，使得非授权用户很难捕捉到有用的信息，极好的保密性被广泛的运用到当代军事系统当中。
超宽带低噪声放大器作为射频微波电路接收前端的核心部分，性能的好坏直接决定着射频接收系统整体的指标[1]。
因此为了达到改善通信质量，降低整机噪声系数，提高接收机系统的灵敏度的目的[2]，具有较高的增益和较低的噪声系数的LNA成为本文研究得重点。
此外，为了稳定输出和最大化接收机的动态范围需求，提高接收机对非线性信号的抗干扰能力，以便本文设计的超宽带低噪声放大器能灵活的应用于各种超宽带系统中，还希望超宽带放大器能具有增益可调的特性。
为了实现放大器增益可调功能，MMIC芯片以其紧凑、稳定性好、抗干扰能力强和高产品性能一致性等被选为本设计的数控衰减芯片[3-6]。
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微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计作者：秦正波任羊弟王辉来源：《现代经济信息》2017年第07期摘要：本文简要报道了微型超低噪音宽带快电荷灵敏前置放大器。
该放大器主要采用高增益宽带低噪音电压反馈型集成运放芯片OPA847，其低电压输入噪音低至0.85nV/Hz1/2，带宽高至3.9GHz。
整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，该前置放大器具有电路结构简单、紧凑，超高速，极低噪音，超高稳定性等优点。
经实验测试，该放大器能有效进行微弱信号的放大和噪音的抑制，可广泛应用于普通物理实验的光电探测的前置放大，科研上也具有较可观的应用前景。
关键词：微弱信号检测；前置放大器；超低噪音中图分类号：TN722 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2017）007-0-02The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurementQIN Zheng-bo，REN Yang-di，WANG Hui（Department of Physics， Anhui Normal University， Wuhu 241000， Anhui， China）Abstract： A miniature， ultra-low-noise， and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth， low-noise， voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan， which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple， compact， super-high speed， ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research.Key words： weak signal detection； pre-amplifier； ultra-low-noise引言在大学物理实验中的光电测量，光信息传输实验中的微弱信号检测或者飞行时间质谱实验中的质谱检测，无论光谱测量中使用的光电倍增管[1]，还是质谱实验中使用的微通道板[2-3]，最终输出的都是脉冲电子流，尤其是电子流具有瞬态性和高速性（10-9秒），而普通的低带宽的放大器无法有效的进行高速电子脉冲信号的放大，并且会造成时间积分上的拉宽，造成信号损失乃至丢失，最终可能不为采集装置所采集，因此从检测器上所获得的微弱信号，需要经过前置放大器进行预放大才可以被瞬态采集卡或者示波器进行信号采集及数据处理。
由此可见，放大器的性能是影响脉冲信号质量的一个关键环节。
从频谱分析可知，脉冲宽度与频带成反比，一般来说，通常的脉冲信号半峰宽从几纳秒左右到几十纳秒，其频谱范围可从直流到500MHz以上，因此为了尽可能减少信号放大引起的失真，真实地反映由检测器所检测到的脉冲信号，就要求这种前置预放大器具有足够的带宽，从而保证仪器整体的分辨率和精度不会因此而受到影响。
一、基本原理基于上述微弱信号检测特性的要求，所设计电路必须具备以下性能：（1）实现高带宽的信号放大；（2）有效抑制噪音，具有低漂移特性。
本工作研制了一款微弱信号超低噪音的宽带放大器，可以实现高速脉冲信号的预放大。
在这里，我们基于OPA847芯片，设计并测试了一款紧凑的微型超低噪音的放大器模块，整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，很适合普通物理实验或者研究性实验中自制的宽带预放大器。
目前国内还未有300MHz以上的预放大器的市售产品，而进口同性能预放大器的价格高至万元以上。
因此在本工作中将宽带指标定在300MHz，以满足实验需求。
其指标为：总增益10倍左右，输入阻抗50Ω，输出阻抗50Ω，电源供给5V。
根据设计要求的前置放大电路原理如图1所示。
二、仿真和测试采用OPA847芯片，其单位增益带宽是3.9GHz，在增益系为12时的平均闭环带宽为600MHz，压摆率为950V/µs（转换速率），脉冲建立时间为6ns（1%），等效输入噪音电压为0.85nV/Hz1/2，等效输入噪音电流为2.5pA/Hz1/2。
在本放大电路中，引入负反馈避免输入量的变化及自身等原因引起的不稳定性，从而保证放大器的稳定运行。
而OPA847属于电压反馈型放大器，输入输出电阻电容的选取和信号端输入输出端匹配电阻的选取对放大器的质量至关重要。
因此需要对反馈电阻和输入输出频率利用NI公司的仿真模拟软件Multisim12反复进行仿真测试[4-5]，选取一套合理的阻值和电容大小，仿真原理图如图2所示。
在图2所示的同相比例电路中，选取560欧姆作为反馈电阻，其增益系数为G=1+R1/R2=12[6]。
利用Multisim，同相输入端加10mV、100MHz的微弱正弦波信号，进行仿真可得输入输出端波形如图3所示，从波形看输入VPP=20mV，输出VPP=230mV，输出输入比例为11.5，与理论分析得到的增益系数（12）相符。
可见，预放大电路满足设计要求。
此外，带宽是放大器的一项重要参数，如图4所示，放大器在带宽为5KHz～3GHz和输入VPP=20mV的条件下进行了增益测试，结果表明在增益系数接近12的条件下频带宽度为100K～200MHz。
进一步分析发现，对于OPA847芯片，其脉冲建立时间（1%）为6ns，这就决定了其高频信号的最大带宽不超过200MHz。
但是对于低重复频率的脉冲信号（本例输入信号幅度为V=5mV，频率为10KHz），由于相邻脉冲间隔远大于OPA847芯片的脉冲建立时间，其工作带宽可以扩展至更高的频带范围。
如图5的仿真结果所示，无论对于边沿为1ns的还是10ns的方波脉冲信号，其放大系数均能稳定在12倍，并且无明显的失真。
因此，对于低重复频率高速脉冲信号（小于100MHz），本预放大器在增益为12的条件下工作带宽可扩展至500MHz。
噪音是预放大器的最重要的指标之一，如何控制和降低噪音，是研制时最为重要和关注的问题。
本工作主要采取两方面措施：（1）选择低噪音器件，设置合适的反馈电阻。
如本工作中选取极低输入噪音的运放OPA847，其输入噪音低至0.85nV/Hz1/2。
（2）采用大面积敷铜电路板，保证对所有输入、输出、电源连接器实行良好的接地。
所有的元件采用贴片形式，均匀分布，连线尽量短。
这些考虑对降低电荷预放大器的噪音取得了明显的效果。
整个电路板封装在一个铝制方盒中（67毫米×53毫米×12毫米），信号输入和信号输出采用射频SMA接口，并直接固定在铝盒侧面，实物图如图6所示。
经过仿真模拟和测试，本工作所设计的预放大器带宽可高至500MHz。
实验中对溴氟苯的共振增强光子电离质谱输出信号进行了测试，如图7（a）所示未经放大前的信号高度仅为～2mV，上升沿为10ns左右，经过放大后的信号如图7（b）所示，信号高度达到～30mV，信号增益为15，基本符合设计的增益指标（12X）。
更重要的是，高频噪音得到抑制，图7（b）基线更平滑，信噪比大大提高。
由此可见，该放大器完全适用于噪音抑制和高频微弱信号（纳秒量级）的检测。
三、结语仿真和实验结果表明，基于OPA847的超低噪音宽带预放大器，对于高频微弱脉冲信号，在增益为12的条件下频宽范围为100K～200MHz。
如果选择低重复频率高速脉冲信号，本预放大器在增益为12的条件下工作带宽可高至500MHz。
其低价高性能特点适用于光电探测和质谱检测等应用领域。
参考文献：[1]胡涛，司汉英.光电探测器前置放大电路设计与研究[J].光电技术应用，2010，25（1）：52-55.[2]扬芃原，杭纬，周振，苏永选.用于飞行时间质谱检测的小信号宽带放大器[J].分析测试仪器通讯，1995，4：187-189.[3]张子斌，翟利华.用于激光电离质谱的低噪声脉冲放大器[J].质谱学报，2000，21（1）：56-60.[4]古良玲，杨奕.电路电子基础实验中Multisim10.0的应用技巧[J].实验科学与技术，2010，8（1）：45-47.[5]张丽萍.Multisim10.0仿真软件在模拟电路实验中的应用[J].实验科学与技术，2009，7（6）：61-62.[6]李军雨，吴晗平，吕照顺，梁宝雯，李旭辉.基于FPGA的紫外通信微弱信号放大器设计[J].激光与红外，2014（10）：1143-1148.通讯作者：秦正波（1983-），男，汉族，安徽芜湖人，安徽师范大学物理系副教授，博士，主要从事普通物理实验和原子与分子光谱研究。
基金项目：国家自然基金（21503003，11674003和61475001）；安徽自然科学基金（1608085QA10）；安徽高校自然科学基金（KJ2015A032）；安徽省省级质量工程项目。