磁选态铯束管信号微电流放大器的设计与仿真
2011-05-24张涤新朱宏伟
杨 京,张涤新,王 骥,陈 江,朱宏伟
(兰州物理研究所,甘肃 兰州 730000)
1 引言
磁选态铯原子钟具有良好的长期稳定性和可靠性,被广泛的应用于时间守时授时系统、测距定位、数字通讯、精密大地测量、军事测绘和科学研究等领域[1]。铯原子钟由二部分组成:(1)物理部分也就是铯束管,用于产生一个能级跃迁Ramsey信号,经电子倍增器放大后输入频标电路进行处理;(2)频标电路,对Ramsey信号进行鉴频,利用锁频环路去锁定一个晶体振荡器产生的固定频率信号。目前,受到技术和工艺水平的限制,电子倍增器增益日衰减率大、寿命短,直接影响到铯原子钟的工作寿命和稳定性[2]。
作者采用高性能放大器对铯束管Ramsey信号进行放大,Ramsey信号约为1 pA,要求经过放大后的信号为100 mV,放大器增益要达到1011量级,信号信噪比大于3 500,这对放大器的性能提出了特殊的要求。通过对铯束管信号特性的分析,根据其信号微弱、带宽窄等特点[3],选用高精度、高阻抗运算放大器OPA128LM设计了一种放大滤波电路,用于铯束管Ramsey信号的放大;并运用Protel设计了用于微电流放大器参数测试的微电流源,对微电流放大器的功能进行了仿真调试,验证其功能、技术指标以及修正元器件参数等。
2 微电流放大器的设计
根据Ramsey信号测量对于放大器增益以及噪声的要求,以高增益、低噪声作为放大电路设计的2个前提要素,整个微电流放大器由前置放大电路、功率放大电路、滤波电路3部分构成。整个电路总体框图如图1所示。
图1 放大电路总体框图
其中前置放大电路微弱信号的处理,是最主要的放大部分,关系到整个电路性能的优劣,必须具有高精度、高稳定性、高共模抑制比、低噪声等特点,故选用OPA128LM作为前置放大电路的芯片。该芯片的最大偏置电流仅为75 fA,共模抑制比高达118 dB,最大失调电压为0.5 mV,适合微弱信号的放大。与芯片INA128UA构成的功率放大电路就组成了整个电路的主体放大部分,具体的电路图如图2所示,其中OPA177和REF200AU构成该微电流放大器的调零部分。
图2 微电流放大器主体放大电路
为了降低周围环境以及前级放大电路所带来的噪声,在主体放大电路后面,采用芯片UAF42构成的滤波电路来限制带宽,滤除不需要的噪声,从而可以极大地改善信号质量。由于Ramsey信号为一个低频信号,而叠加进来的噪声相对于信号来说是高频噪声,所以将UAF42设置成低通滤波器,截止频率定为350 Hz。根据该芯片自带的CAD软件FILTER42的计算结果[4],将UAF42设置成PP3工作模式,其中各元器件的参数为RG=50.0 kΩ、RF1=RF2=453.0 kΩ、C1A=C2A=7071 pF、RQ=44.2 kΩ。这样得到的整个放大电路如图3所示。
图3 微电流放大整体电路
此时,整个放大电路的输出关系为 UO=-Ii×(1+R4÷R3)×R2×(1+50000÷RG)。假如 R4=10 kΩ,R3=1 kΩ,R2=100 MΩ,RG=500 Ω,这样,放大电路增益可以达到1011量级,满足Ramsey信号测量对于放大电路增益的要求。
3 Protel[5]仿真调试运行结果
为了验证所设计的电路是否满足Ramsey信号放大的要求,比如增益是否达到1011量级以及频率响应等问题,用电路设计软件Protel进行了仿真模拟测试。图4就是为了仿真测试而设计的微电流源,此时输出电流 IOUT=V1R1÷R2R4。
图4 仿真微电流源电路
将所设计的微电流放大器和微电流源进行联合仿真调试,具体的电路图如图5所示。
图5 Protel仿真联合调试电路图
3.1 放大电路增益的测量
由于铯束管Ramsey输出信号在后续频标电路的处理中要受到137 Hz信号的调制和解调来稳定铯钟的量子跃迁频率9 192 631 770 Hz[3],故在此输入1 pA、137 Hz的信号来测试放大电路的性能,具体的仿真结果如图6所示。
图6 仿真测试结果
故可以得到该放大电路在输入信号为137 Hz下的增益A=1.043×1011,满足Ramsey信号放大对于电路增益的要求。
3.2 参数测量
分别取频率为 1 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、350 Hz、359 Hz、380 Hz 的信号对电路进行了仿真,仿真结果如表1所列;所设计的Ramsey信号微电流放大电路的通频带为1~359 Hz,如图7所示。
表1 放大电路参数测量结果
图7 放大电路的频率响应图
4 结论
分析了铯束管信号特性,设计了可用于铯束管Ramsey信号测量的放大电路,通过电路应用软件protel设计了微电流源与放大电路联合进行了仿真、调试,取得了较好的效果。从调试结果来看,放大器能够对磁选态铯原子钟Ramsey信号进行放大,增益等参数符合电路设计要求。
[1]翟造成,王庆华.发展我国的空间用高准确度原子钟[J].宇航计测技术,2000,10(20):17~20.
[2]肖东,邱家稳,张涤新,等.高纯石墨对铯吸附性能的研究[J].真空与低温,2009,15(2):99~102.
[3]王义遒,王庆吉,傅济时,等.量子频标原理[M].北京:科学出版社,1986.
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[5]陈学平,兰帆,胡勇.Proteldxp2004电路设计与电路仿真[M].北京:清华大学出版社,2007.