星载感应式磁力仪前置放大电路的研究与进展

许 明，王先荣，王 鹢

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

0 引言

感应式磁力仪是地震电磁监测类卫星上的重要载荷之一，由于在轨飞行工作环境的特殊性，以及未来小型化卫星设计对星上载荷的质量和功耗的限制，对于星载感应式磁力仪而言，其前置放大电路的噪声性能是在其设计质量和功耗上的一种折衷。

对于各种微弱的被测量，如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动、微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经过前置放大电路放大其幅度，以期指示被测量的大小[1]。由于被测量的信号微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往要比有用信号的幅度大得多，放大被测信号的同时也放大了噪声，必然会附加一些额外的噪声，如放大电路的内部固有噪声和各种外部干扰噪声，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下，增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号[2-3]。这便是研制低噪声前置放大电路的目的所在。

磁传感器的噪声源较多，主要有电阻的热噪声、运算放大器的输入电压噪声和输入电流噪声。由于微弱磁场量级较小，则需要优化放大电路噪声水平。同时，感应式磁力仪输入阻抗较大，要求前置模拟电路电压噪声、电流噪声较低。普通的低噪声前置放大电路一般为晶体管输入，电流噪声较大，1/f转折频率较高，难以满足使用需求[4-8]。前置放大电路最主要的功能就是放大来自探测器的信号，尽可能低的产生附加噪声贡献。因此，如何控制和降低噪声，这是研制前置放大电路最为主要的问题。

1 前置放大电路的研究

在多数大地震发生前，均在震中及其临区发现过大量与电磁波有关的异常现象，这些电磁场的变化会最终反映在大气的电离层中，因此使用卫星监测电离层变化，可以为准确预报地震提供参考。

1.1 DEMETER卫星

2004年6月29日，法国发射了一颗名叫DEMETER的地震卫星，这是一颗专门服务于地震监测的卫星[9]。其质量在132 kg左右，体积和一个洗衣机差不多，主要载荷有感应式磁力仪、电场探测仪、等离子体分析仪、Langmuir探针和粒子探测仪。该卫星自发射以来研究成效显著，已积累了许多观测数据资料，为地震电磁耦合机理、地震前兆信息研究提供了宝贵的资料，在业内颇受关注。

DEMETER卫星上的感应式磁力仪的测量范围是1 Hz～20 kHz，噪声水平为4 fT/Hz-1/2@6 kHz，三轴线圈和支架共有430 g。此设计有一个300 mm长的磁核心，噪声水平为14 fT/Hz-1/2@300 kHz，质量为235 g，如图1所示。

图2为磁力仪上感应线圈和前置放大电路的原理图。可以看出，前置放大电路的输入级包含了由低噪声NJFET晶体管（2SK3320）和低功率运算放大器（LT1352）组成的一个差分对。为了使最小功率更小，设置了一个0.43 mA的电流源（SST502），让电流通过这两个晶体管。在这种设计下，前置放大电路的输入电压噪声是3 nV/Hz-1/2@10 Hz。2SK3320晶体管形成的差分输入阶段，测得的直流增益为30。当增益为30时，2SK3320的输入噪声在LT1352的输入端出现了90 nV/Hz-1/2的差别。这使得运放14 nV/Hz-1/2的噪声对于电路总的噪声贡献是可以忽略不计的。第一级的直流增益由比例R2/R1固定（50 dB）。信号被第二级进一步放大（20 dB）。第二运放的正端输入阻抗网络要与负端输入阻抗网络相匹配，这样能够移除运放输入偏执电流随太空辐射漂流带来的影响，直流成分通过电容C2阻隔。

图1DEMETER三分量感应式磁力仪实物图Fig.1 Three-axis search coil magnetometer

图2 感应线圈和前置放大电路的原理图Fig.2 Electrical schematic of search-coil and preamplifier

前置放大电路的噪声源主要是电阻热噪声和晶体管的热噪声以及1/f噪声，如图3所示。其中，ent代表前置放大电路的总噪声；er代表搜索线圈、金属丝电阻和磁损耗热噪声；eni代表在INP处的电压噪声（包含有1/f噪声）；er1r2代表增益电阻R1、R2的热噪声；eisc代表电流噪声产生的电压噪声；erfb代表负反馈电阻Rfb产生的噪声。含有噪声源的搜索线圈和前置放大电路的原理，如图4所示。事实上，在1 Hz和10 Hz之间，输入晶体管的1/f噪声是主要的噪声来源。对于运放的输入电流噪声和输入电压噪声，运放输入电流噪声不会对电路的噪声性能造成影响；同时，可以通过增加电流源或者并联输入晶体管的方式，改善输入电压噪声。噪声的增益主要由第一级提供，不考虑第二级。设计人员认为第二级的噪声贡献会反馈回前置放大电路的输入端，其噪声贡献是可以忽略不计的。基于负反馈技术的线圈和前置放大电路第一级的等效电路原理，如图5所示。

图3 对前置放大电路输入端的噪声评估图Fig.3 Estimated noise contributions at preamplifier input

图4 含噪声源的前置放大电路图Fig.4 Equivalent circuit of search coil and preamplifier with noise sources

图5 前置放大电路第一级的等效电路图Fig.5 Equivalent circuit diagram of the coil and preamplifier first stage

负反馈的作用是使共振频率附近的频率响应变得平坦，也会在在轨飞行期间在主线圈上提供一个刻度信号以核实传感器和前置放大电路的自身功能。从1～200 Hz，响应与频率成比例；从1～10 kHz，响应不与频率成比例，如图6所示。

图6 负反馈增益放大电路（上有反馈、下无反馈）的频率响应曲线Fig.6 Frequency response of search-coil with unity gain preamplifier（bottom）and flux feedback preamplifier（top）.Thick line：Measurement;Thin line：Simulation

1.2 THEMIS卫星

2007年2月17日，美国NASA发射了一颗THEMIS（The Time History of Events and Macroscale Interactions During Substorms）卫星[10-12]，用于研究地球磁层亚暴的产生和大规模演变机理。星上的感应式磁力仪的性能指标包括频带0.1～4 kHz，灵敏度1 V/nT，噪声0.85 pT/Hz-1/2@10 Hz、15 fT/Hz-1/2@1 kHz，功耗800 mW，质量600 g。

图7为前置放大电路实物图，上面的三个相同的立方体为三路传感器的前置放大电路，第四个为功率调节器，均采用MCM-V技术（多芯片组件垂直技术）制成。这个盒子的大小为95 mm×81 mm（包含耳朵为109 mm）×30 mm，质量为200 g。在PCB板层间加入了钽板材，这些板材仅被放置于部件的顶部和底部，用于防护辐射对于有效部件的影响。感应式磁力仪前置放大电路的质量为200 g，功耗为75 mW，动态范围为100 dB（0.1 Hz～4 kHz）、测得最大的NEMI为0.760 pT/Hz-1/2@10 Hz、0.080 pT/Hz-1/2@100 Hz、0.022 pT/Hz-1/2@1 kHz。为了使来自线圈的自然响应变得平坦加入了反馈网络，有无反馈的频率响应结果，如图8所示。

图7 前置放大电路实物图Fig.7 Preamplifier box

图8 有无反馈（上无下有）的频率响应曲线Fig.8 Frequency response（transfer function）of the SCM with feedback（blue）and without（pink）

1.3 MMS卫星

2015年3月12日，美国宇航局NASA发射了4颗“磁层多尺度”（MMS）磁层研究科学卫星[13]。MMS任务旨在对磁重连现象进行研究。设计人员认为感应线圈天线的NEMI或灵敏度需要小于或等于2 pT/Hz-1/2@10 Hz、0.3 pT/Hz-1/2@100 Hz、0.05pT/Hz-1/2@1 kHz。SCM分辨率最终确定为0.15 pT/Hz-1/2@1 kHz。在整体要求下，SCM被分配的质量为222 g，被分配的功耗为166 mW，最终设计实现的对应指标分别为206 g、130 mW。MMS/SCM的前置放大电路采用的是分立式元件形态，如图9所示。

图9MMS/SCM前置放大电路实物图Fig.9 MMS/SCM preamplifier box

该低噪声前置放大电路利用法国3D PLUS公司的多层垂直技术进行设计和制造。每一个通道有两级放大，第一级有一个低噪声输入和一个46 dB的增益，第二级有一个31.5 dB的增益并确保低阻高通。在设计上，将反馈引入到次级线圈中，这样的设计能够使自然频率响应变得平坦。此外，还能移除由温度变化引起的相位变更。SCM的最终灵敏度为2 pT/Hz-1/2@10 Hz、0.18 pT/Hz-1/2@100 Hz、0.025 pT/Hz-1/2@1 kHz。引入反馈的感应线圈等效电路，如图10所示。

图10 引入反馈的感应线圈等效电路图Fig.10 Principle of search-coil with feedback loop

1.4 低噪声前置放大电路

2013年，法国的Rhouni等[4]研制了一种具有超低1/f噪声的高灵敏度感应式磁力仪，前置放大电路利用0.35 μm CMOS工艺集成，具有抗辐射性能。以复杂的机械集成制成的高度紧密电路仅有5 mm2的面积，硅芯片包含一个前置放大电路和其他功能电路，缩微摄影如图11所示。为了使1/f噪声超低，芯片的面积主要被前置放大电路的第一级差分对前置放大电路覆盖。

在系统设计方面，前置放大电路通过电阻Rfb产生一个反馈电流Ifb添加到次级线圈，然后在搜索线圈中产生一个相反的磁场，使得反响变得平坦。反馈由前置放大电路的第一级放大输出到次级线圈，各级放大设计的原理，如图12所示。

图11 ASIC前置放大电路和其他功能电路的芯片缩微图Fig.11 Microphotograph of the chip containing oneASIC preamplifier and other functions

图12 各级放大的等效电路图Fig.12 Preamplifier system design showing the different amplification stages

在设计方法和噪声考虑方面，来自前置放大电路的噪声会限制系统测量磁场低值的能力，这就是感应式磁力仪的NEMI。描述为T/Hz-1/2的NEMI是根据与感应式磁力仪的传递函数有关的输出噪声确定的。因此，前置放大电路的输入参考噪声不得不尽可能的小。设计目标是等效输入噪声为4 nV/Hz-1/2@10 Hz，放大器使用差分的结构，功耗噪声和其他共模噪声是可以忽略的。为了抑制整个前置放大电路的输入参考噪声，一定要减小第一级放大的噪声。因此，第一级放大被设计获得超低热噪声和1/f噪声。星载感应式磁力仪的前置放大电路的噪声源主要是电路中的电阻热噪声、MOS晶体管噪声（在其有效范围内，主要有两个噪声源：热噪声和闪烁噪声或者1/f噪声）以及MOS晶体管制作工艺。从本质上讲，对前置放大电路的最重要的噪声贡献取决于第一级放大。ASIC前置放大电路的原理如图13所示。

为了获得最小的理想高放大闭环增益（80 dB：根据R1、R2、R3和R4确定），放大器必须有一个很高的开环增益（比闭环增益高）。因此，这三级依照的设计原则为：第一级有一个高的gm（跨导）（然后一个高的gmR）增益；第二级有一个高的gm增益和一个低的gds（1/R，R=100 kΩ）增益，gds取决于工作负载；第三级有一个很大的级联工作负载（M12-M15）gds的超低值电阻R。

测试的结果显示，前置放大电路可以得到一个输入参考噪声4 nV/Hz-1/2@10 Hz，一个输入电流噪声46 fA/Hz-1/2，其功耗为12 mW（比NASA/MMS的前置放大电路50 mW的1/4还小）。另外，当此ASIC前置放大电路装载在NASA/MMS的搜索线圈上时，得到的NEMI为2 pT/Hz-1/2@10 Hz。该设计说明，相比使用在空间任务的分立式元件，在CMOS技术下，ASIC所得到的性能，在噪声和功耗方面，与分立式元件是相同的水平。

图13 ASIC前置放大电路图Fig.13 Schematic of theASIC search coil preamplifier.

国外对感应式磁传感器的研制起步早，主要有德国、加拿大、美国、乌克兰等，国内早在30多年前，就有学者提出了通过研究红外、电磁卫星检测技术进行地震监测，因受当时各方面技术条件的限制，未能开展相关工作。2005年，以国家863项目支持为标志，正式开始了地震电磁卫星的研究，并制定了相应的研究计划。主要研究单位有吉林大学仪器科学与电气工程学院[14]，北京航空航天大学宇航学院空间科学研究所（简称北航空间科学研究所），中国科学院空间科学与应用研究中心等，其研制的感应式磁力仪与国外水平相当。2018年2月2日，我国第一颗专用于地球物理场探测的卫星—张衡一号卫星成功发射，星上感应式磁力仪由北航空间科学研究所研制。

2 前置放大电路的分析

通过对DEMETER卫星、THEMIS卫星和MMS卫星的研究，相比于使用在空间任务的分立式元件，在CMOS技术下，ASIC所得到的性能，在噪声和功耗方面，与分立式元件是相同的水平，而ASIC的设计方式可以大幅减小前置放大电路的尺寸。因此，用ASIC的设计方式进行前置放大电路的设计必将得到快速发展。同时，对比DEMETER卫星、THEMIS卫星和MMS卫星与Rhouni等设计的前置放大电路，可以发现，前置放大电路的输入级噪声对于整个电路的影响很大，多级差分电路可以有效地降低输入级噪声。同时，频率越低，前置放大电路噪声越大；而磁力仪输出信号在低频段与频率成正比，频率越低，信号幅度越小。为避免低频信号被噪声淹没，可将低频信号调制到高频段放大，然后再调解到原低频输出，即利用斩波放大原理可以很好地解决这一问题。

3 结论

通过研究分析DEMETER、THEMIS、MMS三颗卫星上感应式磁力仪的前置放大电路的设计，可以看出，在设计方式上，从分立式元件逐渐转向ASIC设计方式。在抑制噪声方面，基于磁通负反馈的频带拓展技术以及输入端采用差分电路抑制共模干扰依然是主要的降噪手段。此外，反馈深度分析，基于斩波原理的低频放大技术等也与前置放大电路的性能紧密相关。

对于空间变化磁场的测量，基于法拉第电磁感应定律的感应式磁力仪是主要方式。对于高分辨率的磁通量测量装置，放大器系统的噪声要小就必须将放大器系统中的第一级噪声减到最小。所以，前置放大电路在整个磁力仪系统中起着重要作用，研究感应式磁力仪低噪声前置放大电路的特性，对于设计高性能的感应式磁力仪是很有必要的。随着各类新技术的出现与应用，国内外针对前置低噪声放大器的研究与设计已经进入了一个快速发展的阶段。