一种低噪声交流低电压放大电路设计与实现

严 明，魏 巍，殷聪如，贾冬宇

(北京东方计量测试研究所，北京 100086)

0 引言

通常来说，当交流电压信号的测量范围小于10 mV，或分辨力低于1 μV时，即可归属到微弱信号测量范畴，交流低电压测量技术广泛应用于国防工业、芯片设计制造、生物医疗和电子计量测试等专业领域。因交流低电压信号易受各种电子元器件噪声影响，淹没在其他杂散干扰信号中，很难从中分离出来并进行准确测量，因此测量结果的不确定度一般较大[1]，通常为千分之几。目前国外比较专业的测量交流电压信号的仪器设备是数字多用表3458A，其交流电压测量量程最小为10 mV，频率范围为1 Hz～300 kHz，测量精度是0.03%～4%；国内市场上未见同指标类型的交流电压测量仪器，相关交流低电压测量方面的论文研究报道不多[2-4]，只有国防电学一级计量站等专业计量技术机构开展了相关科学研究工作，可以实现100 nV分辨力的测量技术。因此，研究团队依托国防计量科研渠道，研发交流低电压检定装置，自主设计研制了一种低噪声交流低电压放大电路，实现了20 μV～2 mV低电压测量功能，频率范围为10 Hz～100 kHz，最高分辨力为10 nV，最优不确定度为0.03%。

1 电路原理简介

本文设计的交流低电压最小为20 μV，最高分辨力为10 nV，且频率范围较宽，因此必须对整个电路进行低噪声设计分析，尤其要控制好前端放大电路的噪声，经过多种方案比较分析，最终采用如图1所示的放大电路设计框图，交流低电压信号通过自主设计绕制的高导磁环形输入变压器和低噪声运算放大器组合体，采用复合型同相放大技术进行信号调理放大，然后经过高通和低通滤波器滤除杂波噪声，再进行二级放大，得到2 V量程的交流电压信号。

图1 低噪声交流低电压放大电路原理框图

低噪声交流低电压放大电路的设计特点如下：

(1)进行低噪声来源分析。由于10 nV分辨力已接近各种元器件的本体噪声，交流低电压信号受各种干扰较大，极易淹没在各种噪声中，难以分辨测量。因此要充分考虑整个放大电路的各级噪声影响[5]，尤其是信号输入端的影响量，要详细分析噪声引入量，分析匹配最佳源阻抗，降低干扰信号的影响。

(2)采用复合型同相放大技术。对于交流低电压信号，无源放大效果较为理想，因此采用高导磁环形输入变压器进行信号耦合放大，与低噪声运放、精密金属箔电阻一起组成复合型同相放大器，实现高精度100倍放大。

(3)采用分频段进行降噪设计。由于10 Hz～100 kHz频率范围较宽，电路噪声主要是白噪声，其有效值与电路的带宽成正比，带宽噪声影响较大，为进一步降低噪声，限制带宽，将频率范围分为3个频段单独进行设计和测量：10 Hz～1 kHz、1～10 kHz、10～100 kHz，根据每个频段特点进行有针对性的设计，制作3个不同材料的无源交流变压器进行低噪声交流放大。

2 低噪声高精度放大器设计

相关研究表明[6]，在级联放大电路中，各级的噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越是前级影响越大，第一级影响最大，噪声源越靠近后级，影响越小。在设计微弱信号检测的低噪声电路时，必须确保第一级的噪声系数足够小，噪声源足够少。因此，第一级放大器的器件选择和电路设计是至关重要的，抑制前置低噪声高精度放大器的噪声是整个电路的关键设计部分，后部的滤波器和二级放大电路引入的噪声对总噪声贡献不大。

因此，考虑到指标高和低噪声等因素，最终采用无源交流变压器进行降噪，即采用高导磁环型输入变压器，作为前级隔直交流耦合器，降低噪声电压，减少干扰影响；甄选超低噪声的前置运算放大器，计算各频段带宽噪声，满足放大器低噪声要求。将精密金属箔电阻的反馈端连接至交流低电压信号端，与高导磁环形输入变压器与低噪声前置运放一起组成一个新的复合型同相放大器，能够保证高精度负反馈放大100倍，放大后的信号稳定，噪声抑制效果非常好。

根据运算放大器电压噪声En和电流噪声In计算公式：

(1)

(2)

式中：enw和inw为电压噪声密度和电流噪声密度；fce和fci为转角频率；fH和fL为频带上下限。

因此，设计时要充分考虑运放噪声指标、频带带宽和低噪声设计要求，通过计算来选择正确适合的运算放大器。表1为常用运算放大器的噪声指标。

表1 常用运算放大器的噪声指标

运算放大器是含有许多元件的网络，每个元件都是可能的噪声源，运算放大器的噪声模型等效电路[7]如图2所示。

图2 运算放大器的噪声模型

噪声电压源En和噪声电流源In模拟以其输入节点为基准的放大器噪声。信号源有信号源阻抗RS和噪声电压源ER，ER代表信号源阻抗的热噪声和信号源送到放大器输入端的任何额外噪声。以输入端为基准的总噪声Eni可以表示为各输入噪声项平方和再开平方根：

(3)

通常衡量一个放大器的噪声性能是以噪声系数F为指标，由于总噪声与信号源阻抗RS有关，理论和实践都证明，当RS=(RS)opt=En/In时,其中(RS)opt称为最佳源阻抗，即信号源阻抗等于最佳源阻抗时，可以获得最小噪声系数F，这种情况称为噪声匹配。通常交流低电压输入信号源内阻Rs是50 Ω，根据最佳源阻抗设计，计算变压器匝数比(原副边匝数比)N1/N2=1/N和输入端等效噪声En/N，具体数据详见表2。根据公式(Rs)opt/Rs=N2，所以N≈4，则3个频段的噪声可降为7 nV、20 nV和64 nV。

表2 匝数比和噪声的计算

3 高导磁环型输入变压器设计

前级输入采用的是高导磁环形输入变压器，主要有以下几点作用：

(1)耦合作用：级间无直流通路，即传输交流信号，又起“隔直”作用，各级独立；

(2)阻抗变换作用：通过调节N1/N2(原副边绕组匝数比)，得到副边在原边的等效阻抗为：RL′=(N1/N2)2RL，可获最佳阻抗；

(3)能够有效降低后级低噪声运算放大器的输入噪声。

高导磁环型输入变压器的磁芯采用高导磁环型材料，常用的软磁性材料有铁氧体、铁铝合金、坡莫合金和非晶态合金等，其性能比较如表3所示。由于高钴基非晶态合金具有损耗小、磁导率高、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，是作为磁芯的首选材料。因此采用高钴基非晶态合金作为高频段(10～100 kHz)磁芯的首选材料，能够有效地抑制变压器噪声；由于坡莫合金低频段(10 Hz～1 kHz)性能较稳定，可作为低频段的磁芯首选材料；中频段(1～10 kHz)的磁芯采用纳米晶材料。

表3 高频磁性材料特性对比表

高导磁环形输入变压器变压比是1:4，主要用于实现最佳源阻抗匹配，采用环形磁芯，理论上漏磁很小，也不存在线圈辐射，对磁场干扰具有较好的抑制能力。运用漆包线和屏蔽线绞合绕制，线圈均匀卷绕磁芯，原边和副边用聚乙脂薄膜和铜箔包裹，进行绝缘和屏蔽，绕制完成的变压器放置在屏蔽盒中。

4 滤波器低噪声设计

设计高通和低通滤波器时，为保证线性度，要关注滤波器通带的幅值平坦度和过渡带的陡峭性。其中巴特沃斯特点是：通带内幅频曲线的幅度平坦；切比雪夫特点是：下降最陡，但通带之间幅频曲线有波纹；贝塞尔特点是：相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降陡度较差。由于巴特沃思滤波器相比切比雪夫和贝赛尔滤波器在通带是最大平坦的，过渡带与阻带则是单调衰减的，其相频特性在通带中相当接近于线性相位，因此选择巴特沃斯更为适宜。

高通滤波器采用5阶Sallen-key巴特沃斯高通滤波器，这种结构的器件较少，稳定性较好；低通滤波器采用5阶FDNR巴特沃斯低通滤波器，这种滤波器电容值仅为一种，便于实现高精度滤波。两款滤波器具有非常好的低失真、低噪声的特性，不仅增益和线性相位等性能优良，而且使设计变得更加方便，减少了许多计算量。根据设计指标要求，计算出3个频段的噪声等效带宽，确定三频段的低通截止频率为1.9、19、190 kHz，高通滤波截止频率为4 Hz、400 Hz、4 kHz，相关计算结果见表4，在4 Hz～2.2 kHz频段中，能够满足10 nV低噪声指标。滤波器电容选择聚苯乙烯电容(CB)和聚四氟乙烯电容器，其主要特点是稳定、低损耗、体积较大。

表4 频带噪声和频率相关表

5 测试数据

低噪声交流低电压放大电路测试框图如图3所示。采用多功能标准源Fluke5720A输出标准交流电压信号，通过交流感应分压器进行300∶1和1 000∶1的分压，得到标准交流低电压信号，作为交流低电压放大电路的输入，完成对20 μV～2 mV主要技术指标的验证测试。

图3 低噪声交流低电压放大电路测试框图

测试结果通过补偿修正，最终计算出被测交流低电压信号值。频响特性补偿时，每个量程选择不同幅值点，频率按照1、2、5、8的规则选择测试点进行测试，得到修正倍率，其他频点的修正倍率采用分段线性内插的方法得到。线性度补偿时，也采用分段线性内插的方法，即在每两个相邻不同幅值点之间用线性内插函数计算得中间点的修正倍率。所有测试设备应预热2 h。测试内容包括示值误差和分辨力，选择不同频率点进行示值误差测试，在200 μV点做分辨力测试，结果如表5所示。测试结果表明，低噪声交流低电压放大电路的最高分辨力为10 nV。

表5 分辨力测试结果

6 结束语

低噪声低电压交流放大电路的创新点在于：根据低噪声设计原则，详细分析了放大电路各级噪声影响量，采用前级无源放大和复合型同相放大技术等方法，实现了20 μV～2 mV交流低电压信号放大测量功能，频率范围为10 Hz～100 kHz，最高分辨力达到10 nV，最优不确定度为0.03%，放大电路整体性能稳定可靠，顺利通过国防计量科研项目验收，项目成果应用于交直流低电压检定装置。