微弱信号放大电路设计
2021-07-30刘傲东廖宏宇刘紫东
刘傲东,廖宏宇,刘紫东
(1.延安大学物理与电子信息工程学院,陕西延安 716000;2.第七〇五研究所,陕西 西安 710065;3.西安理工大学,陕西西安 710048)
随着新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段[1]。它是当今物联网实现自动检测和自动控制的首要环节。
由于传感器输出阻抗高,输出的电信号往往十分微弱,有时甚至还有强烈的电磁及外界噪声干扰[2]。一直以来微弱信号放大都是一个比较棘手的问题,特别是信号幅度达到微伏级且阻抗较大的弱小信号,电路设计的难度很大,噪声难以控制。为了使信号采集系统能够有效检测并提取微弱信号,设计了一种具有高输入阻抗、高共模抑制比、线性度好的低噪声放大电路,可广泛应用于微弱信号检测。
1 微弱信号放大电路设计方案
通常传感器所接收到的信号都非常微弱,而且大多时候还被淹埋在环境噪声之中。因此,要采集这样的微弱信号,一般都要先经过放大滤波处理,以将不相关的干扰和噪声剥离掉,并且信号放大幅度要达到后续数据采集系统能够接收的信号范围。通常,先通过前置放大电路完成阻抗匹配和初级放大,再通过滤波电路滤除掉大部分噪声,最后通过后级放大电路输出具有较高信噪比的待检测信号。根据该项目需求,已知待检信号为29~31 kHz 之间的单频脉冲信号,脉宽约为10 μs,信号强度小于10-5dB,即传感器输出的待检电压信号幅度峰-峰值小于28.828 μV,要求将信号放大到80 dB 以上。为此设计电路原理框图,如图1 所示。
图1 微弱信号放大电路原理框图
2 微弱信号放大电路设计
2.1 前置放大电路设计
在整个电路中,系统的噪声情况主要由前级放大电路决定。由级联放大器的低噪声原理[3],一般要求前置放大电路的增益要尽可能大且具有低噪声,这样整个电路多级串联放大器的噪声系数才会比较小[4]。多级放大器的总噪声系数计算公式为[5]:
其中,Nf为多级放大器总的噪声系数;Nf1、Nf2和Nf3为每一级的噪声系数;G1、G2则为每一级的增益。从上式可以看出,系统的总噪声主要取决于第一级的噪声系数。越是后面的放大器,对系统噪声系数的影响就越小,这是因为越到后级,信号的功率越大,后面放大器内部噪声对信噪比的影响就较小了。因此,对第一级来说,不但希望噪声系数小,也希望增益大,以便减小后级噪声的影响。
由于具有仪表放大器输入结构的差分放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力[6],对差模信号的影响较小,通常差分放大电路用来做集成运算的输入级和中间级,可以抑制由外界环境的变化带给电路的影响[7]。在微小信号处理方面,一般先让信号通过差分放大电路,从而提高信噪比。
该设计采用高精度仪表放大器INA828 来做前置放大电路设计,此放大器可通过单个外部电阻器在1~1 000 倍范围内设置增益。由于采用新的超β输入晶体管(这些晶体管可提供极低的输入失调电压、失调电压漂移、输入偏置电流以及输入电压和电流噪声),该器件可提供出色的精度。其电路如图2 所示。所接R1和R2输入端电阻要相等,主要是为了使内部的差分放大器尽量处于平衡状态,以提高共模抑制比。其次,应考虑电路的实际需要,输入端电阻取值越大,对前级要求越低,但也越容易引入干扰信号。因此在取值时应综合考虑,一般对于音频电路来说,取10~47 kΩ之间比较合理。
图2 前置放大电路图
前置放大电路的增益为G=1+=501,即放大约54 dB。
2.2 滤波电路设计
为了提高电路的信噪比以及排除干扰,设计时最好用滤波器对差分放大后的信号进行处理,这部分是噪声抑制关键性的一步[8]。由于已知待检信号的大概频率范围,为减轻后续数据分析系统的压力,该设计在前置放大电路之后加入了一个八阶带通滤波电路,以滤除有用信号频带以外的干扰和噪声。
凌力尔特公司的LTC1562 是一款具有轨至轨输入和输出的低噪声、低失真、连续时间滤波器,其专为10~150 kHz 的中心频率f0而优化[9]。和大多数单片式滤波器不同,该器件不需要时钟。4 个独立的二阶滤波器部件能够以任意组合进行级联,例如:一个八阶滤波器或两个四阶滤波器。每个滤波器部件的响应由3 个外部电阻器采用简单的设计公式针对中心频率、Q 值和增益进行设置。每个二阶滤波器部件提供低通和带通输出。如果用一个外部电容器替代了其中一个电阻器,则可提供高通响应。另外,还可实现全通、陷波和椭圆滤波器响应。
该电路利用凌力尔特公司免费提供的滤波器设计软件FilterCADv300.exe,以LTC1562 芯片为核心,设计了一个八阶巴特乌斯带通滤波器,设定参数为中心频率30 kHz,通带4 kHz,阻带20 kHz,阻带衰减40 dB,带通滤波电路见图3。
图3 带通滤波电路图
图4 给出了带通滤波电路仿真结果,其通带为28~32 kHz,起伏为-3.55 dB,阻带衰减为-48.36 dB。
图4 带通滤波电路仿真结果
2.3 后级放大电路设计
后级放大和前置放大的电路结构没有本质上的不同,只是设计时需要尽量减小后级放大增益来尽可能降低由信号链路带来的噪声,保证最终输出信号的质量。
后级放大电路采用AD797 来进行设计[10],它是一款极低噪声、低失真运算放大器,在音频带宽上具有低噪声(0.9 nV/)和低总谐波失真(-120 dB)特性,此外还具有出色的压摆率(20 V/μs)和增益带宽(110 MHz),低失真和16 位建立时间特性,使之非常适合缓冲Σ-Δ型ADC[11]的输入或高分辨率DAC 输出,也非常适合用作通用放大器。图5 给出了后级放大电路图,其增益约为36 dB。
图5 后级放大电路图
2.4 外触发电路设计
外触发电路的目的主要是为了减轻采集系统的工作量,很多时候待采集信号大多为脉冲信号,采集系统只需采集放大后的该脉冲信号并进行分析,但人们不知道该信号什么时候到来。据此为采集系统设计了一个外触发电路[12],只有采集系统被触发时才开始采集信号。其基本原理为对后级放大电路输出信号进行二极管包络检波[13],当有脉冲信号到来并能过门限时,通过电压比较器输出一个TTL 触发信号。外触发电路见图6。
图6 外触发电路图
设计选用1N60 作为检波二极管[14]。其导通电压约为0.2~0.25 V,因此理论上后级放大电路输出信号峰峰值要大于0.5 V,检波器才有输出。电压比较器选用LM311,通过调整电位器R37的阻值来确定信号门限,当检波信号(LM311第2脚)大于LM311第3脚电压时,LM311 输出5 V 高电平,否则输出低电平。只有在高电平时,数据采集系统才开始采集数据(信号),低电平时不采集。
3 电路测试
根据前述设计制作了实际电路板,并用信号分析仪35670A 进行了电路增益、频率响应、脉冲信号和外触发性能测试。输入频率为30 kHz 正弦连续信号,幅度为2 μVpp(设置信号源输出20 mVpp信号,再用Agilent 手动步进衰减器衰减80 dB 即可得到该小信号),该信号理论值为-123 dB,实测幅度值为-123.17 dB,图7 为放大后信号频谱分析,幅度值为-32.86 dB,由此得到的系统增益为90.31 dB,满足设计要求。
图7 输出信号频谱测试
采用扫频方式对整个电路进行了0~51.2 kHz 范围内的频率响应测试,幅度为-3 dB时通带约为28.5~31.5 kHz,阻带衰减约48 dB,与仿真结果基本一致,电路幅度频率响应如图8 所示。
图8 电路幅度频率响应
外触发电路测试:输入为脉宽10 ms、幅度16 μVpp、频率30 kHz 的正弦信号,图9 给出了输出结果,理论值应为0.506 V(放大90 dB),实测为0.52 V。图10为检波输出以及触发信号输出结果。
图9 脉冲信号放大测试
图10 检波输出以及触发信号输出
4 信号采集及处理方法
采用USB-6366 作为信号采集卡[15],通过外触发信号上升沿触发采集系统,为了避免干扰导致的误触发,系统连外触发信号也一并采集,通过判断外触发信号脉宽来判断采集的信号是否有效。下一步则是对采集的信号进行处理,采用Chirip-z 变换[16]对信号进行分析,其核心算法如下:
其中,f、s为采样频率;f1 为起始频率;f2 为截止频率。图11为普通FFT分析结果(采样率为250 kHz),图12 为Chirip-z 分析结果(29~31 kHz),可见后者的分析效果远好远于前者。
图11 普通FFT分析结果
图12 Chirip-z分析结果
5 结束语
设计了一种放大90 dB(约31 623 倍)的微弱信号放大电路,经过实验室测试,所设计的电路可以有效地放大微弱信号到计算机能够处理的范围,满足实际测量需求。对于设计高灵敏度、低噪声放大电路具有实际参考意义。