２０１２年８月 电子测试 Ａｕｇ．２０１２ 第８期 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥｓＴ Ｎｏ，８ 纳伏级微弱信号放大电路的设计 安慰东，刘杰，包德州，刘平安 （中网石油集团测井有限公司技术中心，陕两西安７１００７１） 摘要：针对１二程测置领域的实际需求，设计了纳伏级微弱信号的放大电路，在信号输入端，通过仿真软件 仿真设计，最终选用ＡＤ公司的超低噪声差分信号放大芯）￣ＡＤ６２０，放大倍数为１０倍，降低了等效输入噪 声。设计了相应的信号调理电路，采用多级放火电路组态方式，运用超低噪声四运放（ＯＰ４７０Ａ）来组建多 级带通滤波器，经过多级滤波、多级放大，逐步提高信噪比。通过实验，采用不同频段的噪声，验证ＳＮＲ的 改善情况。利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件对系统噪声进行了分析，分析结果显示，在低频段有效地抑制对电路造 成影响的各种噪声，信噪比得到了较大的提升。 关键词：纳伏级微弱信号；低噪声差分放大电路；多级滤波；信噪比 中图分类号：ＴＭ９３２ 文献标识码：Ｂ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ａｍｐｌｉｆｉ ｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ Ｎａｎ ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ ｌｅｖｅｌ Ａｎ Ｗｅｉｄｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｊｉｅ，Ｂａｏ Ｄｅｚｈｏｕ，Ｌｉｕ Ｐｉｎｇａｎ （Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｉｎａ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｌｏｇｇｉｎｇ ＣＯ，ＬＴＤ．Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｆｅｌｄ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎ ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ Ｎａｎ ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ ｌｅｖｅ１．Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ｃｈｉｐ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｉｎｐｕｔ ｎｏｉｓｅ．Ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅ，ａｆｔｅｒ ａ ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｍｕｌｔｉ ｌｅｖｅｌ ａｍｐｌｉｙｆｉｎｇ，ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｓ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＳＮＲ．Ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ａｎＭｙｚｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｎｏｉｓｅｓ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎｈｉｂｉｔ ｌａｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｍｏｒｅ ｈｉｇｈｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ Ｎａｎ ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ ｌｅｖｅｌ；ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ；ｍｕｌｔｉ——ｌｅｖｅｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ； ＳＮＲ ０引言 微弱信号检测是利用电子学、物理学的方法， 器共模抑制能力有比较高的要求瞄 。所以我们采 用 Ｉ片ＡＤ６２０来组建初级放大器。 ＡＤ６２０是一款低成本，高精度仪表放大器， 检出并恢复被噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检 仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为ｌ至 测技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信 １０ ０００ 。其封装图和内部结构图分别如图２、图 号，提高检测系统输出信号的信噪比Ⅱ 。 对于微弱信号的检测，前置放大器是引入噪 声的主要部件之＿，在设计微弱信号检测的低噪声 系统时，必须确保第一级的噪声系数足够小。整个 检测电路的噪声系数主要取决于前置放大器的噪 声系数，而电路百丁检测的最小信号也主要取决于前 置放大器的噪声。因此，前置放大器的器件选择 和电路设计至关重要瞄 。 微弱信号检测电路基本结构 微弱信号检测电路的基本结构如图１所 示。首先微弱信号经过电压放大电路由微弱信 号变成幅度较大信号，然后通过多级带通滤波 器，滤除混杂在电压信号中的高频噪声，并且将 有用信号再次放大，最后通过ＡＩＤ采集电路进 行数模转换。 Ｒ Ｇ Ｏ Ｒ 咩 Ｐ 图１微弱信号检测电路基本结构 ２ 微弱信号检测电路的设计与仿真 ２．１初级放大电路设计分析 在前置放大电路中，整个系统的噪声情况主 要由第一级的放大电路决定。对于差分输入端来 说，会引入较大的共模干扰，因此对前级的放大 ３所示 】。 ＲＧ —ＩＮ ＋１１ｔ ＿ｖｓ ＴＯＰＶＩＥＷ 图２ ＡＤ６２０封装图 一Ｖｓ 图３ ＡＤ６２０内部结构图 ＡＤ６２０采用了经典的三运放改进设计，差动 输入，单端输出。Ａ１，Ａ２组成了同相高输入阻 抗的差动输入，并承担了全部的增益放大任务，由 于电路结构对称，增益改变时，输入阻抗不变 。 通过调整外部电阻，可实现对增益的精掌控。 由ＡＤ６２０搭建的初级放大电路如图４所示， 其放大倍数可通过调节Ｒ５进行精确控制，计算 公式为： ｌ＋５０Ｋ ——尺 ～ 生誊．吼 ｒ一黠 。 上Ｔ 一。上 一图４初级放大电路 通过仿真软件Ｍｕｌｔｉｓｉｍ对初级放大电路进行 了仿真，熙设置为５．４９ ｋＯ，结果如图５ａ、图５ｂ所 示： 为仿真电路原理图，５ｂ为仿真结果图。 Ｒ１ 图５ａ仿真电路图 图５ｂ初级放大电路仿真结果 图５ａ中ＸＦＧＩ为信号发生器，输出信号设置 成３ Ｈｚ正弦波，ＸＳＣ１为示波器，用来显示输出 信号的波形。仿真结果如图ｓｂ所示：放大倍数为 １（）倍。 Ｔｅｓｔ ＴｏｏｌＳ＆Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ２－２多级带通滤波电路设计 由于整个放大电路的总增益要求是非常高的， 而单个运放增益又不宜过大，所以电路采用多级 放大电路组态方式，经过多级滤波、多级放大， 逐步提高信噪比。本文采用了＿—．片超低噪声四运放 （ＯＰ４７０Ａ）来组建多级带通滤波器。设计的带通 滤波电路是两组标准的二阶高通滤波器和两组标 准的二阶低通滤波器的组合。每一级提供两倍的 同相放大。 ２．３输出级放大电路设计 输出级的主要作用是提高对后级的驱动能力。 本文同样采用了ＯＰ４７０Ａ组建了－一个二级输出级放 大电路。第一级作为一个一阶的低通滤波器。增 加这一级的原因是在带通滤波后，有时仍然会发 现工频干扰，加上这一级后，工频干扰被很好的 抑制。最后一级是跟随输出级，目的是提高驱动 能力，保证信号不会在前放衰减太多。 ３ ＳＮＲ改善 前放的一个重要作用就是提高信号的信噪比， 这对后面信号采集工作有着很重要的意义。在这 里，通过使用３０ Ｈｚ，１００ Ｈｚ，５００ Ｈｚ以及ｌ ｋＨｚ 的信号作为噪声，ｌ Ｈｚ的信号作为理想输入，计 算了所设计前置放大电路在这些情况下的信噪比 改善情况。如表ｌ所示，可以看出，大于１００ Ｈｚ 的噪声信号已经被较好的抑制。 ４系统噪声分析 ＮＩ的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件能够帮助对电路的噪声陛 能进行统计分析嘲，它可以将系统内的所有器件 ｛鹦试Ｉ具与解决方案 ¨ ＜ ８ Ｈ∞ ＜ 的各类噪声折合到输入端，用等效输入噪声的谱 密度来表示。本文对设计的放大电路进行了噪声 性能分析，分析结果如图６所示。 Ｎｏｉｓｅ Ｓｐｅｃｔｘａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｃｕｒｖｅｓ－ｆＶ ２ ＯＦ Ａ￣－Ｉｚ ｒｅｑｕｅｎｃｙ（㈦ 图６系统的噪声谱密度 １Ｊ １ｊ ＿寸１Ｊ 图６中，上部的曲线代表输入端的噪声谱密度 之和，下部的曲线代表折合到输出端的噪声谱密度 之和，单位是Ｖ ＂２／Ｈｚ。可以看出在１￣１００ Ｈｚ区间 的低频区间内噪声分１｛ 是比较均匀平坦。在１ Ｈｚ 处的噪声密度约为１０￣Ｖ／ｓｑｒｔ（Ｈｚ）。整个系统噪声最 低点可以达到１０ｎＶ／ｓｑｒｔ（Ｈｚ）。 ５结束语 本文设计的放大电路，放大倍数约为１２００倍， 经过实验室测试，可以在低频段有效地抑制对电 路造成影响的各种噪声，信噪比得到了较高的提 升，经过后续的Ａ／Ｄ采集和数据处理，信号测量 范围可达到纳伏级，满足了实际测量的需求。 参考文献 【ｌ】章克来，朱海明．微弱信号检测技术『Ｊ］．航空电 ２ｏ ８ 子技术，２００９，４０（２）． 高晋占．微弱信号检测［Ｍ】 匕京：清华大学出版 社，２００４． 楼钢，李伟，邓学博－／Ｊ、信号放大电路设计［Ｊ】．浙 江理工大学学报，２００７，２４（６）：１—４． Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．Ｌｏｗ Ｃｏｓｔ，Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ［ＯＬ］．Ｄａｌｌａｓ：Ａｎｏｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ，２００４． １Ｊ 王树振．１Ｊ单威． ＡＤ６２０仪用放大器原理与应用 １Ｊ １Ｊ ｆＪ１．微处理机，２００８（４）． 曹军．仪器放大器ＡＤ６２０性能及其应用…．电 子器件，１９９７（３）． Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．Ｖｅｒｙ Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ｑｕａｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ［ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｅｎｋｕ． ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｖｉｅｗ／ａ６７１２ｄ０ａｂｂ６８ａ９８２７１ｆｅｆａ，ＬＳｂ． ｈｔｍ１． 王冠华．Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０电路设计及应用ｆＭ］．北京： 国防工业出版社，２００８． 作者简介： 安慰东，硕士，主要研究方 向测井仪器。 Ｅ—ｍａｉｌ：２７８３９１ ７２９＠ｑｑ．ｃｏｍ
