低噪聲前置放大器的研究

低噪聲前置放大器的研究

為了高精度檢測和傳輸弱信號，低噪聲預(yù)響應(yīng)器是不可或缺的。大多采用低噪聲運(yùn)放,但對低內(nèi)阻的信號源,如超導(dǎo)測溫、熱電偶測溫,不能直接與運(yùn)放直接耦合,需加一匹配網(wǎng)絡(luò),才能達(dá)到噪聲的最佳匹配。這樣電路結(jié)構(gòu)不僅復(fù)雜,還增加額外的噪聲。另外,集成運(yùn)放的體電阻比分立元件大得多,在集成電路中還有報道說發(fā)現(xiàn)等離子噪聲,故電路結(jié)構(gòu)相似的集成運(yùn)放的噪聲比分立元件大2～5倍。目前,在高靈敏度的自動化儀表及檢測裝置中,均配有各種性能的傳感器,且其內(nèi)阻比較小,故前置放大器如何與低內(nèi)阻的信號源達(dá)到最佳噪聲匹配是個十分關(guān)鍵的問題。針對此問題,本文在對級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、并聯(lián)晶體管噪聲模型和雙極型晶體管噪聲分析的基礎(chǔ)上,采用分立元件設(shè)計了一種低噪聲前置放大器實用電路。實測該電路的噪聲電壓達(dá)0.82nV/√Ηz0.82nV/Hz???√,這一指標(biāo)超過了目前市銷的低噪聲運(yùn)放。1前置級噪聲系數(shù)和功率增益計算微弱信號的檢測技術(shù)在多個領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用,由于被測信號很微弱,有時僅為微伏數(shù)量級甚至更小,因此必須經(jīng)過幾級放大,才能得到足夠大的信號用于數(shù)據(jù)采集(A/D)和處理.在有用信號被放大的同時,前置級的噪聲也被放大.級聯(lián)放大器的總噪聲系數(shù)F為:F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+?+Fn-1G1G2?Gn-1+??(1)F=F1+F2?1G1+F3?1G1G2+?+Fn?1G1G2?Gn?1+??(1)其中,Fn、Gn分別為第N級的噪聲系數(shù)、有效功率增益。式(1)表明,當(dāng)前置級的增益G1足夠大,且噪聲系數(shù)F1足夠小時,多級串聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)F才會較小.故在級聯(lián)放大器中前置放大器的噪聲要盡量的小。2等效最佳噪聲電阻N個放大器并聯(lián)電路的噪聲相當(dāng)于它們的噪聲電壓En和噪聲電流In發(fā)生器并聯(lián),如圖1所示。圖1中,等效噪聲電壓:E′n=En√Ν(2)等效電流:Ι′n=√ΝΙn(3)等效最佳噪聲電阻:R′0=E′nΙ′n=R0Ν(4)其中,R0為最佳源電阻。放大器的噪聲系數(shù)為:F=總的等效輸入噪聲功率源電阻噪聲功率=源電阻噪聲功率+前置放大器等效輸入噪聲功率源電阻噪聲功率=4kΤRs?Δf+E′2n+Ι′2n?R2s4kΤRs?Δf=1+E′2n+Ι′2n?R2s4kΤRs?Δf(5)式(5)中,k為波爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度,Δf為噪聲帶寬。由式(2)～(5)可知,隨著并聯(lián)級數(shù)N的增多,R′0將成比例減少,并且當(dāng)RS較小時,E′n占優(yōu)勢,有利于F的減少。3集電極電流對噪聲的影響雙極型晶體管的噪聲指數(shù)與頻率的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出,噪聲指數(shù)在某些中頻范圍為常數(shù),而在其兩端升起。在低頻時,“1/f”噪聲(接觸噪聲)和f1都隨著集電極電流Ic的增加而增加;高于f1時,噪聲指數(shù)由基極電阻上的熱噪聲和發(fā)射極與集電極結(jié)上的散粒噪聲組成的白噪聲,選用基極電阻小、電流增益大和截頻高的晶體管可使白噪聲減到最小;在高于f2時,噪聲的增加是由于:①晶體管的增益降低;②輸出結(jié)(集電極)上的噪聲不受晶體管增益的影響。為了得到小的噪聲,綜合考慮電路的性能及成本,在選用晶體管時,選擇了基極電阻小、高電流增益β的晶體管、并工作在較小的集電極電流Ic上。另外電路中的電容、電阻也采用了的低噪聲的器件。4電流增益的影響根據(jù)以上噪聲性能分析及文獻(xiàn),我們設(shè)計出了一種更低噪聲的前置放大器電路,原理圖如圖3所示。圖3中,T1～T6均為低噪聲的NPN型晶體管,其中,T1～T4是4個性能參數(shù)相同的晶體管并聯(lián)組成共射極電路,實際制作中選取電流增益均為270;T5、T6的β與前4個相近.第一級的基極偏流由第二級的發(fā)射極Ve5提供,由于三級之間是直接耦合,在取得偏流的同時,也引進(jìn)了直流負(fù)反饋,穩(wěn)定了直流工作點(diǎn)(減弱了環(huán)境溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響)。為了去掉通過偏流電阻造成的交流負(fù)反饋(它會使電路的輸入阻抗減小)在偏流電路中接入電容C2,使得前置放大單元的輸入阻抗得到了提高.整個電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋來穩(wěn)定放大倍數(shù),同時提高輸入阻抗,降低了輸出阻抗.C1為耦合電容,為了盡可能減少噪聲,C1、C2均為鉭電容.由于鉭電容漏電電流很小,本身的噪聲也較小,以致可以忽略不計。此電路的放大倍數(shù)為:Κu=Ref+RelRe15等效噪聲電壓(1)噪聲電壓(正弦波法):由于噪聲信號微弱且為交流信號,不易準(zhǔn)確測量,測量時采用自行制作的高靈敏度、寬頻帶的線性檢波器加在前置放大器的輸出端,檢波輸出噪聲Eno由412倍數(shù)字萬用表測量,噪聲均方根值為1.13Eno。此前置放大器的等效噪聲電壓可表示為Eni√B=1.13Eno√BΚtΚ,其中,Eni、Kt分別為前置放大器的等效輸入噪聲和電壓傳輸增益(受實驗條件限制,本文用電壓增益Ku代替),B=π2f0(f0為放大器的-3dB帶寬)為等效噪聲帶寬,K為線性檢波器的放大倍數(shù).在無屏蔽及電磁干擾小的空曠條件下測得Eno=0.45mV(幾次測量數(shù)據(jù)的平均值),可算出本電路的等效噪聲電壓為0.82nV/√Ηz。如果精心挑選其中的4個并聯(lián)晶體管,并加屏蔽(在放大器的外面加屏蔽罩,僅將輸出信號引出)的條件下,可望得到更低的噪聲電壓。②最大不失真輸出信號:vmaxo=1.25V;③放大倍數(shù):Ku=50;④輸入阻抗:Rin=1.62MΩ;⑤-3dB帶寬:10～280kHz。