纳伏级微弱信号放大电路的设计

～ 一 生 ． 吼 誊 一 ｒ 黠 。 上 Ｔ 一 。 上
示：
Ｒ１
放 大 电路 组 态 方 式 ，经 过 多级 滤 波 、多级 放 大 ，
逐步提高信噪比。本文采用了— 超低噪声四运放 ＿片 ．
（ Ｐ７Ａ Ｏ ４０ ）来组建多级带通滤波器。设计 的带通
图 ４ 初 级 放 大 电路
对 于微 弱信 号 的检 测 ， 置 放 大器 是 引入 噪 前 声 的主 要部件 之＿ ， 在设 计微弱信 号检测 的低 噪声
—
３ 示 】 所 。
Ｒ Ｇ
Ｉ Ｎ
系统时 ， 必须确保第一级的噪声系数足够小。整个 检测电路的噪声系数主要取决于前置放大器 的噪 声系数 ， 而电路百检测的最小信号也主要取决于前 丁 置放大器的噪声。因此 ， 前置放大器 的器件选择
Ｉｓｒ ｍｅ ｔｔ ｎ Ａｍｐｉ ｅ ［ ． ｌ ｓＡｎ ｌｇ ｎｔ ｕ ｎａｉ ｏ ｌ ｉｒＯＬ］ Ｄａｌ ： ｏｏ ｆ ａ
仿真设计， 最终选用Ａ Ｄ公 司的超低噪声差分信号放大芯） Ｄ ２ ， ￣Ａ ６ ０ 放大倍数为１倍， ０ 降低了等效输入噪
声。 计了相应 的 信号调 理 电路 ， 设 采用 多级 放 火 电路 组态 方 式 ， 用 超低 噪声 四运 放 （ Ｐ ７Ａ） 组建 多 运 Ｏ ４０ 来
级带通滤波器， 经过多级滤波、 多级放大， 逐步提高信噪比。 通过实验， 采用不同频段的噪声， 验证Ｓ ＮＲ的 改善情况。 利用Ｍｕ ｉｍ仿真软件对系统噪声进行了分析， ｌｓ ｔｉ 分析结果显示， 在低频段有效地抑制对电路造
ｗ ｈｉ ｈ ｓｔ ａ ｖｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｌ ｃ ｉ ｈｅ Ｎ ｎ ｌｍ ｔ ｒｌ ｖｅ
ＡｎＷ ｅ ｏ ｇ ｉ ｅ ａ ｚ ｏ ，ＬｕＰｎ ａ ｉ ｎ ，Ｌｕ ｉ，Ｂ ｏＤｅｈ ｕ ｉ ｉｇｎ ｄ Ｊ
（ ｃｎ ｌｇ ｓ ｒｈＣｅ ｔｒＣ ｉａ ｅ ｏｅｍ ｏ ｇｎ Ｔｅｈ ｏｏ ｙＲｅ ａｃ ｎｅ， ｈｎ ｔ ｌ ｅ Ｐ ｒ ｕ Ｌ ｇ ｉｇＣＯ， Ｔ Ｘｉ ｎ Ｓ ａｎ ｉ １ ０ １Ｃｈｎ ） Ｌ Ｄ． ’ ， ｈａ ｘ ７ ０ ７ ， ｉａ ａ
抑制。最后一级 是跟随输出级，目的是提高驱动 能力，保证信号不会在前放衰减太多。
图 ５ 仿 真 电 路 图 ａ
３ Ｓ 改善 ＮＲ
前放 的一个重要作用就是提高信号 的信噪比，
这 对 后面信 号采 集 工作 有 着 很 重要 的 意义 。在 这 里，通 过 使 用 ３ ， ０ ， ０ ０Ｈｚ １０Ｈｚ ５０Ｈｚ以及 ｌｋ Ｈｚ
ｓ ｎ ｌｗｈ ｃ ｓｔ ｅ Ｎ ａ ｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｅ ．Ｓ ｌ ｃｉ ｇ ａ ｌ ｗ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔａ ｓｇ ａ ｍｐ ｉ ｅ ｈ ｐ ｔ ｅ ｕｃ ｈ ｉ ａ ｇ ｉｈ ｉ ｈ ｎ ｖ ｌ ｍ ｔ ｒ ｌ ｖ １ ｅｅ ｔ ｏ ｎｏ ｓ ｄ ｆ ｒ ｎ ｉｌ ｉ ｎ ｌａ ｌ ｒ ｃ ｉ ｏ ｒ ｄ ｅ ｔ ｅ ｎ ｅ ｉ ｆ ｅ ｕ ｖ ｌ ｎ ｎ ｕ ｏ ｓ ．Ａｌｏ ｄ ｓ ｎ ｎ ｈ ｏ ｒ ｓ ｏ ｄ ｎ ｉ ｎ ｌｃ ｎ ｉ ｏ ｉ ｇ ｃ ｒ ｕ ｔ ｑ ｉ ａ ｅ ｔ ｉ ｐ ｔ ｎ ｉｅ ｓ ｅ ｉ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ｒ ｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｓ ａ ｏ ｄ ｔ ｎ ｎ ｉｃ ｉ，Ｕ ｓ ｈ ｇ ｇ ｉ ｉ ｔ ｅ ｍｕ ｔ—ｓａ ｅ ｎｇ ｌｉ ｔ ｇ
滤波电路是两组标准的二阶高通滤波器和两组标 准的二阶低 通滤波器 的组合。每一级提供两倍的
通过仿真软件 Ｍ ｌｓ ｕｔｉ ｉｍ对初级放大电路进行 了仿真， 设置为 ５ ９ Ｏ， 熙 ． 结果如图 ５、图 ５ 所 ４ｋ ａ ｂ 为仿真电路原理图，５ 为仿真结果图。 ｂ
同相 放大 。
公式 为 ：
ｌ ０ Ｋ ＋５
—
—
要由第一级 的放大电路决定。对于差分输入端来
说，会 引入较大的共模干扰，因此对前级的放大
尺
Ｔｓ ｅ ｔＴｏｏ Ｓ＆ Ｓｏｌ ｔｏ ｌ ｕｉｎ
２２ 多级 带通 滤 波 电路 设 计 －
由于整个放大电路的总增益要求是非常高的 ，
而 单个 运 放 增 益 又 不 宜 过 大 ， 以 电路 采 用多 级 所
２３ 输 出级 放 大 电路 设 计 ．
输出级的主要作用是提高对后级的驱 动能力。
本文同样采用了Ｏ ４０ Ｐ７Ａ组建了一 －个二级输出级放 大电路。第一级作为一个 一阶的低通滤波器。增 加这一级的原因是在带通滤波后，有 时仍 然会发
现 工 频 干扰 ，加 上 这一级 后 ，工频 干 扰被 很 好 的
Ｒ Ｇ Ｏ 咩 Ｒ
Ｐ
一
Ｖ ｓ
图３ ＡＤ ２ ６ ０内部 结构 图
Ａ ６０ Ｄ ２ 采用了经典的三运放改进设计，差动
输入，单端输出。 Ａ ， ２ １ Ａ 组成了同相高输入阻
图 １ 微 弱信 号 检 测 电 路基 本 结构
抗 的差动输入 ， 并承担了全部的增益放大任务，由 于电路结构对称 ，增益改变时，输入 阻抗不变 。
的信号作为噪声，ｌ ｚ 的信号作为理想输入 ，计 Ｈ 算 了所设计前置放大电路在这些情况下的信噪比
改善 情 况 。如 表 ｌ 示 ，可 以看 出，大 于 １０Ｈｚ 所 ０
图５ ｂ初级放大电路仿真结果
的噪声信号已经被较好的抑制。
图 ５ 中 Ｘ Ｇ 为信号发生器，输出信号设置 ａ ＦＩ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｆ ｒ ｈ ｃｕｌ ｅｄ ｆｈ ｅ ｆ ｎ ｎ ｅ ｎ ａ ｒ ｇ ｄ ｓ ｎｎ ｎａ ｌ ｃｔ ｎｃ ｃｉ ｏ ａ ｓｒ ｃ： ｏ ｅａｔａ ｎ ｅ ｓ ｅｆ ｌ ｏ ｇ ｅｒ ｇｍｅｓｉ ， ｅｉ ｉｇａ ｍｐｉ ａ ｏ ｉ ｕｔ ｆ ｔ ｏ ｔ ｉ ｄ ｅｉ ｉ ｕｎ ｇ ｉ ｆ ｉ ｒ ｗｅｋ
ａ ｌ ｅ ｉ ｕｔ ｄ ， ｆ ｒ ｌ— ｅ ｅ ｆｔｒ ｇ， ｌ ｌｖ ｌ ｍｐｉ ｉｇ ｇａ ｕｌ ｎ ｒａｉｇｔｅｓ ｎｌｔ ｍｐｉ ｒｃ ｃ ｉ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｍｕｔ ｌｖ ｌ ｌ ｉ ｍｕｔ ｅ ｅ ａ ｌ ｎ ， ｒｄ ａｙｉｃｅｓ ｈ ｉ ａ ｏ ｉ ｆ ｒ ｔ ａ ｉ ｅｎ ｉ ｉ ｙ ｆ ｌ ｎ ｇ
２ ｏ ８
¨
＜ ８ ∞ ＜ Ｈ
的各类噪声折合到输入端，用等效输入噪声的谱 密度来表示。本文对设计的放大电路进行了噪声
性能 分析 ，分析 结果如 图 ６所示 。
Ｎｏｓ ｐｃ ａＤｅｓｙＣ ｒｅ －Ｖ Ｆ ｉ Ｓ ｅｔ ｌ ｎ ｉ ｕｖｓ ｆ ２Ｏ ｅ ｘ ｔ Ａ￣ － Ｉ ｚ
ｎ ｉ ａｉ ． ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｅ ｔ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｎ ｉ ｆｄ ｆｅ ｅ ｔｆｅ ｕｅ ｃ ａ ｄ ｏ ｖ ｒ ｙ ｔ ｍｐ ｏ ｅ ｅ ｔｏ ｏ ｓ ｒ ｔｏ Ｔｈ ｏ ｇ ｈ ｘ ｅ ｍ ｎ ， ｓ ｈ ｏ ｓ ｏ ｉ ｒ ｎ ｑ ｎ ｙ ｂ ｎ ｓｔ ｅ ｉ ｈｅ ｉ ｒ ｖ ｍ ｎ ｆ ｅ ｉ ｎ ｅ ｒ ｆ ｔ Ｎ Ｒ ． ｄ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ Ｍ ｕ ｔ ｉ Ｓ ｍ ｕ ａｉ ｎ ｓ ｆ ｒ ｏ ａ Ｍｙ ｅｔ ｅ ｓ ｓｅ ｏ ｓ ｓ Ｅｆ ｃ ｉ ｅｙ ｉ ｈ ｂ ｔ ｌｋ ｎ ｓｏ ｈｅＳ Ａｎ ｓ ｌ ｓ ｎ ｈ ｉ ｍ ｉ ｌｔ ｏ ｔ ｅ ｔ ｎ ｚ ｈ ｔｍ ｎ ｉ ． ｆ ｔ ｌ ｎ ｉ ｉ ａ ｉ ｄ ｆ ｏ ｗａ ｙ ｅ ｅ ｖ ｌ ｎ ｉ ｈ ｏ —ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｂ ｎ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｎ ｌ ｏ ｎ ｉｅｒ ｔ ａ ｅ ｎ ｉ ｒ ｖ ｒ ｉ ｈ ｒ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅｌ ｗ ｒ ｑ ｅ ｃ ａ ｄ ， ｎ ｉ ａ ｏ ｓ ａ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅｎ ｈ ｇ ｔ ｏ ｂ ｍｐ ｏ ｅ ｍｏ ｅ ｈ ｇ ｅ ． Ｋ ｅ ｗ ｏ ｄ ：ｔ ｅ ｗｅ ｋ ｓｇ ａ ｏ ａ ｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｅ ； ｏ ｎ ｉｅ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｌｓ ｎ ｍ ｐ ｉ ｅ ； ｕ ｔ —ｅ ｅ ｌ ｒｎ ； ｙ ｒ ｓ ｈ ａ ｉ ｎ ｌ ｆＮ ｎ ｖ ｌ ｍ ｔｒ ｌｖ ｌ ｌ ｗ ｏ ｓ ｉ ｒ ｎ ｉ ｉ ａ ａ ｌ ｒ ｍ ｌ —ｌ ｖ ｌｆ ｔ ｉ ｇ ａ ｇｌ ｉ ｆ ｉ ｉ ｅ
成影 响 的各种 噪声 ， 信噪 比得 到了较 大 的提升。 关键 词 ： 伏级 微 弱信号 ；低 噪声 差分放 大 电路 ；多级 滤波 ；信 噪 比 纳
中图分类 号 ：Ｔ ３ Ｍ９ ２ 文献标 识码 ： Ｂ
Ｄ ｅ ｉ ｎ ｆａ ａ ｐｌ ｉ ａ ｉ ｎ ｉｃ ｔｏ ｅ ｋ ｓｇ ａ ｓｇ ｏ ｎ ｍ ｉ ｔｏ ｃ ｒ ｕｉ ｆｗ ａ ｉ ｆｃ ｎ ｌ
和 电路设计至关 重要 瞄。
＋１ １ ｔ
＿ ｖｓ
Ｔ ＯＰＶＩＷ Ｅ
图 ２ ＡＤ ２ ６ ０封 装 图
微弱信号检测 电路基本结构
微 弱信 号 检 测 电路 的基 本 结 构 如 图 １ 所
示 。首 先 微 弱 信 号 经 过 电 压 放 大 电 路 由微 弱 信
号变 成 幅度较 大信号，然 后通 过多级带通 滤波 器，滤除混杂在 电压信号 中的高频噪声，并且将 有用信号再次放 大，最后通过 Ａ Ｄ采集 电路进 Ｉ 行数模 转换 。
２ 微弱信 号检测 电路 的设计与仿真
２１ 初 级 放 大 电路 设 计 分 析 ．
在前置放大 电路中，整个系统 的噪声情况主
通 过调 整外 部 电阻 ，可 实现 对增益 的精 掌控 。
由 Ａ ６０ Ｄ ２ 搭建 的初级放大电路如图 ４ 示 ， 所 其放大倍 数可通过调节 Ｒ 进行精确控制，计算 ５
２１ ０ ２年 ８月
电 子
测
试
Ａｕ ２０１ ｇ． ２ Ｎｏ， ８
第 ８期
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩ Ｃ ＴＥｓＴ
纳伏 级微弱信号放大 电路 的设 计
安 慰东 ， 刘 杰 ， 包德 州 ， 刘 平安 （ 中网石 油集 团测井 有 限公 司技术 中心 ， 陕两 西安 ７０７ ） １０ １
摘 要 ：针 对 １程 测置 领 域 的实际 需 求 ， 计了纳 伏级 微弱 信号 的放 大 电路 ， 二 设 在信 号输入 端 ， 过仿 真 软件 通
子技 术，０９４ （） ２０ ，０２．
高晋 占． 微弱信号检测［ 匕 清华大学出版 Ｍ】 京：
社 ，０ ４ ２０．
楼钢， 李伟， 邓学博 － 信号放大电路设计［ ． ／ Ｊ 、 Ｊ浙 】 江理工大学学报， ０， （） — ． ２ ７ ４６： ４ ０ ２ １
Ａ ｎａ ｏｇ Ｄ ｅ ｃ ，Ｉ Ｌｏ ｏ ｔＬｏ Ｐｏｗ ｅ ｌ ｖｉ ｅｓ ｎｃ． ｗ Ｃ ｓ ， ｗ ｒ
ຫໍສະໝຸດ Baidu成 ３Ｈ 正 弦 波 ，ＸＳ 为 示 波器 ，用来 显 示 输 出 ｚ Ｃ１
４ 系统 噪声分 析
Ｎ 的 Ｍｕ ｉｍ软件能够帮助对电路的噪声 陛 Ｉ ｌｓ ｔｉ 能进行统计分析 嘲 ，它可以将系统 内的所有器 件
信号的波形。仿真结果如图 ｓ 所示 ： ｂ 放大倍数为
１ 倍。 （ ）
｛ Ｉ 具 与解 决 方案 鹦试
ＳＮ Ｒ
０ 引言
微弱信号检测是利用电子学 、物理学的方法，
器共模抑制能力有比较 高的要求 瞄 。所以我们采
用 Ｉ ＡＤ６０来 组建 初级 放大器 。 片 ２
Ａ ６０ Ｄ ２ 是一款 低成 本，高精度仪 表 放大器，
检 出并恢复被噪声掩盖的微 弱信号。微弱信号检 仅需要一个外部电阻来设置增益， 增益范围为 ｌ 至 测技术研究的重点是如何从 强噪声 中提取有用信 １ ０ ００ ０ 。其封装图和内部结 构图分别如图 ２ 、图 号，提高检测系统输出信号的信噪比 Ⅱ 。