基于JFET的低噪声感应式磁传感器设计*

李 珉, 柏逢明

(1.长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022;2.长春工业大学 人文信息学院，吉林 长春 130122)

0 引 言

航空瞬变电磁(TEM)[1，2]测量是一种有效的资源勘查方法，广泛应用于矿产勘查、石油勘探、地下水勘查等方面。航空TEM可分成发射、接收、数据解释几个部分。感应式磁传感器(IMS)[3～5]作为整个接收机的前端用来接收微弱的TEM信号，并将该信号转换成电压信号，传递给后级放大器放大。IMS包括：空心线圈和前置放大器两部分。空心线圈[6～8]将获取的磁场信号转换成电压信号；前置放大器将电压信号进行低噪声放大。前置放大器是整个接收系统的最前端，对信噪比的影响最大，其性能的好坏直接影响接收机的性能，尤其是接收机的灵敏度。因此，二者的设计和制作水平影响传感器的整体指标。

本文提出了基于结型场效应晶体管(JFET)的前置放大器电路来替代原有的差分放大器的方法。分析了该方法对传感器带宽和噪声的影响，给出了传感器的频率特性，通过与3D—3传感器对比，该传感器信噪比提高了10.04 dB，带宽增加了1倍,并证实了JFET方式下传感器频域特性的低噪声特性满足TEM的工作要求。

1 IMS设计

IMS作为航空TEM接收机的前端用来接收微弱的TEM信号，并将该信号转换成电压信号，由空心线圈和前置放大电路两部分组成，其结构图如图1所示。

图1 IMS结构图

从图1中可以看出，空心线圈被绕制在木质或尼龙的骨架上，通常为偶数段绕制结构，空心线圈的直径和匝数等参数根据实际需求而选择。根据法拉第电磁感应定理，空心线圈将微弱的TEM信号换成电压信号，传递给前置放大器进行低噪声放大，最后输出给采集系统进行处理。

1.1 空心线圈模型分析

空心线圈传感器可以等效为电阻、电感、电容混合的二阶系统模型，其等效电路如图2。

图2 空心线圈的等效电路

图2中r为空心线圈的直流电阻，L表示空心线圈的电感，C为空心线圈的分布电容，RT为空心线圈的匹配电阻,er为空心线圈内阻产生的噪声，eRT为匹配电阻产生的噪声。

1.2 空心线圈噪声分析

空心线圈的主要噪声源为：线圈内阻的热噪声和匹配电阻产生的噪声。

线圈内阻产生的热噪声er为

er=4kTBr.

(1)

其中，r为空心线圈的直流电阻;B为空心线圈的带宽;T为模型中电阻的绝对温度，K;k为玻耳兹曼常数，k=1.380 650 5×10-23J/K。

匹配电阻产生的噪声eRT为

eRT=4kTBRT.

(2)

其中，RT为匹配电阻阻值。

空心线圈的总噪声En为

(3)

由于空心线圈内阻很小,基本为几十欧姆，而空心线圈的匹配电阻很大,为几十甚至上百千欧姆级，所以，匹配电阻的热噪声为空心线圈的主要噪声源。在空心线圈设计和与放大器匹配时，都应该考虑到匹配电阻的取值问题。

1.3 前置放大电路模型分析

传统的前置放大器采用集成运放构成放大器，本文设计的前置放大器前级采用JFET作为放大器的前级来降低前置放大电路的噪声,如图3所示。

图3 前置放大器的电路

图3中,es为电路的电动势，ZS为电路的输入阻抗,Rb为JFET管的偏置电阻,Z1为负载阻抗,Cin为放大电路的输入电容,Cgd为栅极—漏极间电容。

1.4 前置放大电路噪声分析

采用JFET的前置放大器的等效噪声电路模型如图4所示。

图4 前置放大器的噪声等效电路

图4中前置放大电路噪声由等效输入电压噪声en和输入电流噪声in构成。

等效输入电压噪声en为

(4)

JFET管的1/f噪声根据场效应管的型号的不同其值也不同，现代的场效应管的1/f噪声一般是指50～100 Hz频率以下的低频噪声。

电流噪声in输入JFET产生的电压噪声vn为

(5)

式中q为电子电荷，q=1.6×10-19C，IG为流过某一结区域的电流，B为带宽，Cs为信号源电容值。

电路的输出电压总噪声Vo

(6)

2 感应式磁传感器制作

空心线圈被绕制在一个直径为0.5 m的木制骨架上，分2段绕制，每段有14层，每层10匝，总数为280匝，主要参数由表1所示。

表1 空心线圈主要参数

前置放大器采用JFET来降低噪声，其参数为gfs=1.2 mS,B=42 kHz,T=297 K,Rb=100 kΩ,Cs=1000 pF,Cin=27 pF,IG=10-12A,Zl=Rl=10 kΩ,Cgd=2 pF,Cgs=5 pF,G=10。

上述的几种噪声源测试结果如图5所示。

图5 几种噪声源测试结果

从图5中可以看出：在200 Hz以下，en1占主导地位，200 Hz以后vn占主导地位，40 kHz以后en1又占主导地位，en3在1 kHz以后开始降低，并对输出噪声贡献不大，en2,er和eRT相比均可以忽略。在IMS的有效频带内起主导作用的是en1,en2和vn。因此，在满足实际应用条件下，选择选择合适的参数来降低IMS的输入噪声。

3 IMS性能测试

由于市区内存在很强的工频或者其他干扰，而IMS对输入噪声要求较高，为了准确测量放大器的输入噪声，要求测试环境干扰信号比较微弱，因此,测试在电磁屏蔽室内进行。

3.1 IMS响应频带测试

IMS响应频带带宽需要通过实际探测深度来决定，而航空TEM—IMS的3 dB带宽要求在45 kHz。根据第二部分的IMS实际制作参数，其响应频带如图6所示。

图6 IMS响应频带

考虑到空心线圈与后级前置放大器级联后整体带宽会降低，因此,IMS响应频带应在42 kHz左右。该IMS的参数能够保证在有效的频带内有足够的增益稳定性。

3.2 感应式磁传感器输入噪声测试

对IMS的输入噪声进行测试，结果如图7所示。

图7 IMS输入噪声

通过对IMS的输入噪声特性分析，可以得出其输入噪声在3 kHz以下都为1 nV/Hz1/2，3 kHz以后逐渐增大。在10 kHz处，输入噪声为2 nV/Hz1/2。

3.3 性能参数对比测试

采用自主研制的IMS与加拿大Geonics公司的3D—3传感器进行了对比实验。采用Agilent 35670A动态信号分析仪分别对两种方式下噪声均方根值进行测量。图8给出了两种IMS输入噪声实测值。

图8 两种IMS输入噪声对比

从图8中可以看出:在自主研制的IMS与加拿大Geo-nics公司的3D—3传感器对比，自主研制的IMS输入噪声更小，验证了其噪声特性的正确性。

4 结 论

本文在理论分析IMS的物理结构、等效模型和噪声特性的基础上，设计了基于JFET的一种低噪声IMS。通过在屏蔽室内对所研制的IMS性能进行测试，结果表明:

其3 dB响应带宽达到42 kHz，输入噪声为 nV/Hz1/2@10 kHz，较磁传感器3D—3信噪比提高了10.04 dB，解决了其他IMS因噪声过大而影响探测结果的问题，满足TEM大深度探测的需要。

参考文献:

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