纳伏级微弱信号放大电路的设计
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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
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
Isr me tt n Ampi e [ . l sAn lg nt u nai o l irOL] Dal : oo f a
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
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
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
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
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
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 。
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
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
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
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
~ 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
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
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
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
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
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 。
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 。
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 。
—
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
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
Isr me tt n Ampi e [ . l sAn lg nt u nai o l irOL] Dal : oo f a
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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。 ( )
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Au 201 g. 2 No, 8
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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
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要由第一级 的放大电路决定。对于差分输入端来
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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
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
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
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21 初 级 放 大 电路 设 计 分 析 .
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( 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
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
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图 5 中 X G 为信号发生器,输出信号设置 a FI
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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
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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
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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 。
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
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和 电路设计至关 重要 瞄。
+1 1 t
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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 。