一种具有偏置电流温度补偿的弱信号放大电路

2019-07-17张嘉伟高瑞祥程晶晶

仪表技术与传感器 2019年6期

张嘉伟，高瑞祥，杨成，程晶晶

(1.中海油田服务股份有限公司油田技术研究院，北京 101149；2.华中科技大学自动化学院，湖北武汉 430074)

0 引言

在宽温度范围为25～175 ℃下的微弱信号检测问题是核磁共振测井仪器领域重点关注的一个问题[1-3]，为了在测井极端中获取幅度在百nV级别，频率范围在500 kHz～1 MHz的微弱信号，需要设计一种低噪声系数的前置放大电路，国内外研究者在弱信号检测方面做出了许多工作[4-6]，但在已经开展的相关研究工作中，偏置电流对微弱信号放大电路的影响是一个被忽视的问题，随温度变化的偏置电流作用在不对称的差分信号源内阻上，会对放大电路产生不同程度的干扰。本文基于低热阻封装的ADA4898-2低噪声运算放大器，设计一种带偏置电流温度补偿的微弱电压信号放大电路[7]，可用于解决宽温度范围条件下偏置电流影响测井仪器微弱信号检测性能的问题。

1 电路设计

1.1 电路原理框图

微弱电压信号放大电路是由差分输入级、比例放大器、高通滤波器和差分输出电路级联而成的，电路框图如图1所示，输入级由1个仪用放大器和1个补偿运算放大电路组成，仪用放大器能够抑制共模电压，适用于大共模电压情况下的微弱信号测量。补偿电路的作用是为偏置电流提供1个回路，减小偏置电流随温度变化带来的误差。

仪用放大器的输出信号经比例放大电路放大后，再通过二阶高通滤波电路滤除输入的低频和直流信号，最后再通过由2个运算放大器组成的差分输出电路产生2路互补信号。整个放大电路的放大倍数为19 440倍，也即85.8 dB，能够把百nV级别的微弱信号放大到后续数模转换电路能够分辨的电压范围。

图1 微弱电压信号测量放大电路原理框图

1.2 偏置电流补偿原理

图2是典型的仪用放大电路，运算放大器A1、A2、A3和相关外部电阻构成仪用放大器，其中R3=R4，R5=R6，R7=R8，R1和R2是差分信号源的等效内阻，I(1+)表示A1正输入端的偏置电流，I(1-)表示A1负输入端的偏置电流。在工作时，运算放大器A1的偏置电I(1+)和运算放大器A2的偏置电流I(2+)流过外部不平衡的信号源内阻R1和R2，此时

I1=I(1+)，I2=I(2+)

(1)

R1和R2两端产生不相等的电压U1和U2，这样会在输出端产生一个Uerror的误差，表达式如式(2)所示。为此，需要增加一个补偿电路来减小偏置电流的影响。

(2)

图2 典型的仪用放大器

图3 带偏置电流温度补偿的仪用放大器

带偏置电流温度补偿的仪用放大器的结构如图3所示，虚框中的A4、R9、R10、R11构成偏置电流补偿电路，其中R10=R11=2R9。偏置补偿电路的功能是为偏置电流提供一个回路，使之不流过信号源电阻，从而不在输出端产生误差。以下结合图3分2种情况说明补偿电路的原理。

(1)当3个运放A1、A2、A4完全匹配，偏置电流的大小相等，即I(1+)=I(1-)=I(2+)=I(2-)=I(4+)=I(4-)=I。根据运放电路的虚短和虚断可得:

U1-U3=I3R9
U1-U3=I4R10

(3)

由此可得I2=0，即没有电流流过R2,此时U2=0。再看U1的大小，运算放大器的输出功率和负载上的功率的大小相等。设A4的功率为PA4,外部负载的功率为Pload，可得：

(4)

二者在大小上是相等的，|PA4|=|Pload|。

又有

I(4out)=I3+I4+I5

(5)

把R9、R10、R11的关系代入并令偏置电流相等可得I1=0，即

I1=I2=0

(6)

可知没有电流流过源电阻，此时能够完全消除偏置电流的影响。

(2)当运算放大器的的偏置电流互不相等时，由功率相等这一条件，可得I5=I4，由于此时偏置电流是不相等的，把各个偏置电流分别代入，由基尔霍夫定律可得

(7)

此时流过源电阻的电流不为零。

通过对比在没有补偿电路、理想情况下的完全补偿和不完全补偿3种情况下流过源电阻电流的表达式(1)、式(6)和式(7)，可以明显看出补偿电路对偏置电流的补偿效果。由于运放在工作时偏置电流的大小与具体器件的型号紧密相关，下面根据具体的运放器件进行误差分析。

1.3 基于ADA4898-2的补偿电路和仪表放大器

低噪声运算放大器选择的ADA4898-2器件是一款超低噪声和失真、单位增益稳定、电压反馈型运算放大器，它内置一个线性、低噪声输入级，并且具有内部补偿功能，这些特点非常适用于微弱信号的测量，而且内置裸露金属焊盘，改善了散热性能，能够提高电路在宽温度范围下的可靠性，其中ADA4898-2的偏置电流服从N(-0.13,0.000 4)μA的正态分布[8]。

可在MATLAB仿真环境中用4组服从该分布的随机数对应偏置电流I(1+)、I(2+)、I(4+)、I(4-)的大小，并用蒙特卡罗法求得偏置电流不完全相等时，流经信号源内阻R1和R2的电流I1和I2之差的分布，图4是分析结果，横轴表示I1-I2的值，单位是μA，纵轴表示I1-I2分布情况。

图4 I1-I2分布图

由上述可知，偏置电流的影响主要是通过流过外部源电阻形成电压差产生的，为了分析偏置电流不相等时带来的补偿误差，所以令源电阻相等，用I1和I2的差值来表征补偿电路没有完全补偿时误差的变化情况，可以看到误差主要分布在0.04～0.06 μA之间，95%的误差小于0.1 μA，而且从整体分布来看误差的分布大致呈现正态分布，符合一般的分布规律。

1.4 噪声性能计算

(8)

式中：Et为热噪声；En、In为运算放大器的电压噪声和电流噪声；RS为源电阻[9-11]。

它把全部噪声源等效在信号源处。基于此种噪声分析方法，用Pspice对输入端做了噪声仿真分析。

仿真结果如图5、图6所示，数据对比如表1所示，仿真结果表明，补偿电路几乎不会增加额外的等效输入噪声。

偏置电流的补偿方法通常是串接一个对地的大电阻，但这个电阻产生的热噪声和高阻抗节点潜在的外部噪声拾取会给电路增加额外的误差，由上述仿真数据可知，由运放构成的补偿电路刚好克服了这一缺

图5 不加补偿时的等效输入噪声

图6 加补偿时的等效输入噪声

表1 不同频率下的噪声对比

点，在不增加噪声的情况下补偿了偏置电流，由此可见这种补偿方法适用于微弱信号的放大电路。

1.5 其他电路设计事项

比例放大电路的结构如图7所示，C1是交流耦合电容，起到隔离直流的作用，C2、C3是电源的去耦电容，电路的放大倍数是18，它和前面的仪表放大器配合使用。

图7 比例放大电路

高通滤波器主要是为了去除低频噪声，降低噪声带宽，从而降低系统噪声，电路原理图如图8所示。

图8 二阶高通滤波器

因为信号带宽范围为500 kHz～1 MHz，所以高通滤波器的截止频率设计在440 kHz，在PSpice上仿真得到频率响应曲线如图9所示，可以看到仿真结果和我们的理论设计是相符合的。

图9 滤波器频率特性

2 实验测试

在测试时，利用信号发生器产生固定频率的正弦波信号，经过衰减器衰减后送至放大电路进行放大，然后用示波器对信号输出进行测量，为了测量补偿电路的效果，预留了2个对地电阻来模拟源电阻，便于测试当输入电压为0时偏置电流带来的输出误差，另外还测试了整个电路的频带特性和线性度，以下是测量结果。

2.1 偏置电流误差测试

偏置电流的大小在μΑ量级，如果用几十Ω的等效源电阻来进行测试，那么在输出端只能得到mV的输出误差，用示波器很难观察，因此在输入端接入2个差值在1 kΩ的等效源电阻来扩大偏置电流的影响，由此可以很直观地看到补偿电路的补偿作用，测试方法如图10所示，为了放大偏置电流的作用效果，把2个源电阻的差值设置为1 kΩ,分别在加补偿电路和不加补偿电路的情况下在测试点测试输出误差。