TDS用锁相放大器电路设计

　研究与设计

电　子　测　量　技　术

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　Ｔ

ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ第３５卷第４期２０１２年４月　

ＴＤＳ用锁相放大器电路设计

蒋　鹏　赵国忠

（首都师范大学物理系ＴＨｚ实验室　北京　１０００４８

）摘　要：小型或微型锁相放大器（ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）目前市场罕有，小型ＴＨｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）需要此种仪器。提出了一种ＬＩＡ设计方案，用于ＴＤＳ提取与ＴＨｚ波电场强度相关的信号。将差分探测器的信号进行预滤波和放大，后接带通滤波器，同时斩波器输出的信号经移相与前者分别送入ＡＤ６３０的信号端和同步端。锁相后信号经低通滤波器，送入ＡＤＣ。ＡＤＣ采集的数据送至上位机进行二滤波处理。整个ＬＩＡ系统放大微弱信号１　０００倍左右，信噪比７００ｄＢ以上，电路板面积１１ｃｍ×５．５ｃｍ，

达到基本指标。关键词：锁相放大器；ＡＤ６３０；太赫兹探测；互相关；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中图分类号：ＴＮ９１１ 文献标识码：Ａ

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐ

ｌｉｆｉｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ＴＤＳＪｉａｎｇ　

Ｐｅｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｇｕｏｚｈｏｎｇ（ＴＨｚ　Ｌａｂ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃａｐｉｔａｌ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　

１０００４８）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｍａｌｌ　ｏｒ　ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＬＩＡ）ｉｓ　ｒａｒｅ　ｏｎ　ｍａｒｋｅｔ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓｍａｌｌ　Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎｓｐ

ｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＴＤＳ）．ＬＩＡ　ｓｃｈｅｍｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ＴＤＳ　ｔｏ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏＴＨｚ　ｗａｖｅ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｉｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｐｒｅ－ｆｉｌｔｅｄ　ａｎｄ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｅｄ，ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｉｔｈｂａｎｄ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ．Ｗｈｉｌｅ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｒｏｍ　ｃｈｏｐｐｅｒ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ＡＤ６３０ ｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ　ａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｏｒｔ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｆｔｅｒ　ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐ

ｌｉｆｉｅｒ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｌｏｗ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｔｈｅｎ　ｔｏ　ＡＤＣ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓｐ

ｕｔ　ｉｎｔｏ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｆｏｒ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｆｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　１０００ｔｉｍｅｓ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　７００ｄｂ　ＳＮＲ，ａｎｄｓｙ

ｓｔｅｍ　ｓｉｚｅ　ｉｓ　１１ｃｍｘ５．５ｃｍ，ｗｈｉｃｈ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＡＤ６３０；ＴＨｚ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　本文于２

０１２年３月收到。０　引 言

作为一种精密的测试仪器

［１］

，锁相放大器被广泛的用

在科研领域，尤其是在检测微弱小信号方面。但灵活小巧，轻便的小型或微型锁相放大器市场少有，而一些便携式光谱仪则需要用到小型锁相放大器。在ＴＨｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）［２

］，尤其是小型ＴＤＳ系统里，更需要小型或者微型锁相放大器。太赫兹时域光谱仪已经在各种材料的检测领域应用广泛，

例如爆炸物或者毒品的检测。但是国内目前在小型ＴＤＳ系统的发展上出现一些瓶颈，系统中需要有小型锁相放大器。

１　原　理

锁相放大器是基于互相关检测原理（见图１）来实现从大背景噪声中提取微弱的有用信号。当输入信号与参考信号频率完全一致的信号在乘法器的输出端得到直流偏量，

其他信号在输出端都是交流信号，要是在乘法器后加一个低通滤波器，

滤除交流分量，那么剩下的直流分量，而这个直流分量只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。

图１　互相关检测原理

２　实施方案

为实现低成本小体积的锁相放大器，采集太赫兹时域光谱仪中的差分探头产生的信号。通过核心器件ＡＤ６３０

（平衡调制解调器）做锁相放大，以提取被噪声淹没的微弱

蒋　鹏等：

ＴＤＳ用锁相放大器电路设计第４期

ＴＨｚ信号，要求其动态范围宽，达到１００ｄＢ，能检测１００ｐＡ

以上的信号。最终采集的信噪比需满足６０ｄＢ以上。电路

的设计上均需考虑低噪声及电磁干扰与

电磁兼容性问题。

实施方案架构图，见图２。

图２　设计模块

信号先经ＡＤ６２０放大，然后通过１．５ｋＨｚ的带通滤波器将信号送入ＡＤ６３０的信号输入端。同时斩波器输出的信号经移相器移相后送到ＡＤ６３０的同步端。ＡＤ６３０锁相芯片后接低通滤波器，滤除噪声，分出直流分量。用２４ｂｉｔＡＤＣ采集直流偏量，并将数据通过ＲＳ２３２串口送至ＰＣ，用ＬＡＢＶＩＥＷ软件进行二次滤波处理。

３　系统设计与各模块设计

３．１　总体模块

整个模块采用自顶向下分模块设计，这样方便电路分析和管理。模块的划分是按照第１节所述原理和第２节所

述方案来设计。各模块主芯片旁均加去耦电容［３］

，且应用

±１２Ｖ和±５Ｖ低噪声稳压电源，尽量压低噪声。３．２　前放模块

前级用ＢＮＣ接头将差分探测器输出的微小信号接入

进行放大。此电路设计考虑ＲＦＩ干扰问题，在运放前加入防ＲＦＩ电路，在放ＲＦＩ干扰后在加入了高通滤波器，

去除差分探测器的直流偏置。ＡＤ６２０经典仪表运放［４］

，

噪声低、接口简单，只需一个电阻就可调整增益，其有很高共模抑制比。到底是先滤波后放大信号，

还是先放大后滤波，需要根据信号不同采取不同的策略。由于差分探测器的信号，

噪声和干扰比较大，因此就采取先滤波后放大的架构，

这样能提高信号的动态范围。因为输入的信号小至２．５ｍＶ，将此信号放大至２．５Ｖ左右，可以调整ＲＧ，

使输入信号一次尽量放大到需要的程度，

这也符合多级运放噪声分析理论。另外第一级高增益还有个好处，ＡＤ６２０的带

宽一定，增益越高，其截至频率越低，这样间接的起了一个低通滤波器作用滤除高频噪声。前放模块如图３所示。

图３　前放模块

３．３　１．５ｋＨｚ带通滤波器

ＴＤＳ系统上的光学斩波器斩飞秒光的频率一般设在

１～２ｋΩ，

因此本设计采用１．５ｋＨｚ双运放带通滤波器。在高Ｑ因数和高频电路设计中，双放大器带通滤波器结构非常有用。

它的元件敏感性小，元件扩散效应低。这种电路的显

著特征是Ｑ值和中心频率几乎可以独立调节［５］

。通过Ｒ１０

调节电路的谐振频率，Ｒ１１调节电路的Ｑ因数。在这种拓

扑结构中，使用双运放结构，如果２个运算放大器比较匹

配，

就可以降低Ｑ因数对放大器参数的敏感性。图４所示双放大器带通滤波器在谐振点的增益为２。运放芯片选ＯＰ２１７７低噪声双运放，

同一个芯片内２个运放匹配就很好。±１２Ｖ供电，

这样能提高信号动态范围。设计此模块时，先用ＡＤＩ版本的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１１进行仿真［６］

。图５为此模

块波特图，中心频率为６ｄＢ。仿真结果与理论结果比较相符，

但在实际中由于元器件有误差，所以实际中的频率有些偏差，这个在焊电路之前先要测试好电阻和电容值。