增益可控低噪声前置放大器设计

赵德春+王露+白宝平+皮喜田

摘 要： 设计一种具有温度补偿、增益可控的低噪声前置放大器。该放大器采用级联放大，每一级通过继电器改变信号通路，从而达到控制增益的目的。在放大器的设计中采用噪声抑制和温度补偿技术，并对原电路使用闭环控制进行优化，既实现了增益可调，增益控制范围为10～60 dB，又保证了良好的增益平坦度和优秀的噪声抑制能力。通过仿真和实际电路波形测试，表明该放大器仅有9 μV/℃温度漂移和等效输入噪声电压，总谐波失真小于1.2%，能放大μV级DC～50 MHz带宽信号。

关键词： 前置放大器； 温度补偿； 级联放大； 噪声抑制

中图分类号： TN722.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0137?04

Abstract： A low?noise pre?amplifier with temperature compensation and controllable gain was designed. The cascade amplification mode is adopted in the amplifier. The signal channel is changed by means of the relay in each cascade stage to control the gain. The noise suppression and temperature compensation technologies are used in the design of the amplifier. The closed?loop control method is utilized to optimize the original circuit， which can realize the gain adjustability （the gain controlled range is 10～60 dB）， and ensure the perfect gain flatness and excellent noise suppression ability. The results of simulation and practical circuit waveform testing show that the amplifier only has the temperature drift of 9 μV/℃， the equivalent input noise voltage of and the total harmonic distortion of less than 1.2%， and can amplify the DC～50 MHz bandwidth signal in μV stage.

Keywords： pre?amplifier； temperature compensation； cascade amplification； noise suppression

0 引 言

前置放大器实质上是一个小信号放大器，常常用于放大微弱信号[1]，由于微弱信号难于检测和易受干扰的特性，因此前置放大器必须具有低噪声、强抗干扰、增益稳定的特性[2]。随着电子技术的集成化发展，越来越多的电路设计采用运算放大器[3]。基于集成运放的电路设计比基于分立元件的设计具有更加简洁，更强抗干扰能力，便于调试的特点[4]。传统的信号放大电路噪声较大，增益小且多为定值，无法抑制温度漂移，本設计不仅具有优秀的噪声抑制能力和温度补偿功能，而且增益可由手动开关或I/O口控制，实现了10～60 dB范围增益调节。

1 噪声优化

系统总体设计框图如图1所示。在前置放大器电路中，噪声主要由运放失调电压、失调电流、温度漂移、电阻热噪声等因素产生[5]。因此本设计在传统放大电路的基础上，增加了调零电路和温漂抑制电路，减少了噪声对信号干扰，提高信号传输过程中的信噪比[6]。

1.1 电流噪声优化

运放的电流噪声主要是由输入偏置电流和输入失调电流引起[7]，如图2所示。

输入偏置电流和输入失调电流分别为：

将电路的有源输入都置为零的话，则利用叠加定理可得：

由式（3）可见，虽然没有任何输入，但电路仍产生了直流噪声，假设：

那么就可以消除输入偏置电流引起的误差，最后可得：

式中，通过缩小运放外围电阻可以进一步降低，因此，运放外围电阻不宜过大，一般在几十到数百欧姆范围内选取。

1.2 电压噪声优化

当运算放大器输入端短接时，为了使，加在输入端的电压称为输入失调电压，如图2所示，由输入失调电压引入的输出误差为：

为此，本设计采用如图3所示的失调电压调零电路。

在调零电路中，通过调零电位器W2和W1，调节的值使得与相抵消。

1.3 温度补偿电路设计

由于温度变化，运放产生的温度漂移会在电路中产生失调电压[8?9]，尤其是对于多级放大的前置放大器，每一级因温漂产生的误差都会被后级电路放大，对信号造成严重干扰。因此，为了抑制温度漂移带来的噪声，本设计采取了如图4所示的温漂补偿电路。

在电路中，U1与U3是相同的运放，U1是一个电压跟随器，当温度变化时，U1产生的电压噪声经过反向放大器AD706反向放大后接入U3的同向端，补偿U3及后续电路因温度漂移产生的误差，AD706单元本身是一个低通滤波器，会将信号带宽以外的高频噪声滤除，保证接入U3的只是因温度漂移产生的误差信号，且AD706在0～70 ℃都具有极低温度漂移，避免了由AD706引入额外的噪声。

2 增益控制电路设计

通过继电器选择不同信号通路来达到控制增益的目的。在前置放大器中，一共有6级放大，每级增益0或10 dB，为了减小误差，第一级放大级设置为固定增益10 dB，因此前置放大器的增益变化范围是10～60 dB。前置放大器增益控制原理如图5所示。图5为前置放大器增益控制原理图。该前置放大器增益通过手动开关或I/O口控制。手动控制开关和方式选择开关一起组成单刀多掷的增益开关。当增益开关拨到1时，3?8译码器使能，此时可通过I/O口控制放大器增益，此时的增益调整范围为10～60 dB。增益开关拨到2～6 时，增益分别为20 dB，30 dB，…，60 dB。

3 电路改进

由于电阻热噪声，过程的变化以及电源波动等[10]，即使采用了温漂补偿和噪声优化，信号仍然会出现不同程度的失真，增益精度较差，电路仿真波形如图6所示。

图6描述了当输入为100 kHz，1 mV的正弦波信号时整个电路的输出波形。为此对原有电路设计进行了改进，对整个放大电路加入了反馈回路，图7为改进后的电路结构示意图。

式中，为第n个放大节点引入的噪声，在传输过程中会和前一级传输来的信号一起被放大。若没有负反馈，则该噪声在输出信号中的值为，引入负反馈后，～受到从输入到干扰本身进入点之间所具有的正向增益的衰减，在输出信号中的值为，而的值大于1，因此通过引入反馈回路，电路噪声得到有效抑制。

整放大器增益。当增益开关拨到1档，同时让译码器的输出全为零时，此时图8中的第一级 放大器的放大倍数α为一固定值，适当调整电位器W6，从而调整反馈系数β的值，将总增益A精确调整至10 dB。同理，当增益开关拨到2档时，调整电位器W1将增益调至20 dB，这样依次调整电位器W2，W3，W4和W5，保证每档的增益依次为10 dB，20 dB，30 dB，40 dB，50 dB，60 dB。加入反馈回路后，既增强了电路噪声抑制能力，又保证了信号增益精度和平坦度。改进后电路结构示意图如图8所示。图9是改进后不同增益和不同频率下信号仿真波形。

通过示波器、频谱分析仪和谐波分析仪进行电路实际测验，结果显示实测波形稳定性好、噪声小，无明显失真。图10为改进后放大器实物和实测波形。

由实际测量参数得知，前置放大器输出波形与改进后电路仿真结果吻合，各项参数均达到了预定指标。

4 结 语

本文从放大器基本原理出发，详细阐述了增益可控低噪声前置放大器的设计原理和设计方法。

设计的前置放大器温漂仅为9 μV/℃，增益调节范围为10～60 dB，工作带宽为0～50 MHz，增益最大时的等效输入电压噪声和电流噪声分别为10 nV/和6.0 pA/，总谐波失真小于1.2%，增益精度在0.3 dB以内，具有良好的性能指标，适用于低噪声宽带宽高增益微弱信号的放大。

参考文献

[1] KAI Liu， WAN Huazhu， BIN Yan. Ultralow noise preamplifier and optimization method for induction magnetometers [J]. IEEE sensors journal， 2015， 15（6）： 3293?3300.

[2] KUSUDA Y. A 5.6 nV/ chopper operational amplifier achieving a 0.5 μV maximum offset over rail?to?rail input range with adaptive clock boosting technique [J]. IEEE journal of solid?state circuits， 2016， 51（9）： 2119?2128.

[3] ENGLISH E， WELTZ A. Low?noise preamplifier design considerations for large area high capacitance solid?state neutron detectors [J]. IEEE transactions on nuclear science， 2016， 63（1）： 304?315.

[4] PROKOPENKO N N. Zero level of BiJFet?differential difference operational amplifiers and methods of its decrease in conditions of low temperatures and radiation effect [C]// Proceedings of 2016 International Conference on Signals and Electronic Systems. Krakow： IEEE， 2016： 131?134.

[5] FIORI F. On the susceptibility of chopper operational amplifiers to EMI [J]. IEEE transactions on electromagnetic compatibility， 2016， 58（4）： 1000?1006.

[6] MARCELIS A， FERRI G. Uncalibrated operational amplifier?based sensor interface for capacitive/resistive sensor applications [J]. IET circuit， devices & systems， 2015， 9（4）： 249?255.

[7] YU J， AMER A. Electromagnetic interference resisting operational amplifier [J]. IEEE transactions on circuits & systems， 2014， 61（7）： 1917?1927.

[8] BOLATKAL M， MICHIEL A P. A single?temperature trimming technique for mos?input operational amplifiers achieving 0.33 uV/℃ offset drift [J]. IEEE journal of solid?state circuits， 2011， 46（9）： 2099?2107.

[9] 兰羽，张玉洁.光电探测中低噪声前置放大器的设计[J].国外电子测量技术，2012，31（6）：84?86.

[10] 王蓉晖，刘钢.增益可控的射频放大器设计[J].长春师范大学学报，2015，34（12）：18?20.