面向空间引力波探测的程控低噪声高精度电压基准源*

王嘉伟 李健博 李番 郑立昂 高子超 安炳南 马正磊 尹王保 田龙3)‡ 郑耀辉3)††

1) (山西大学光电研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,太原 030006)

2) (山西大学激光光谱研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,太原 030006)

3) (山西大学,极端光学协同创新中心,太原 030006)

引力波探测打开了探索宇宙的新窗口,开启了多信使天文学时代.大型激光干涉仪作为空间及地基引力波探测装置,需要使用低噪声激光光源,通过光电负反馈降噪技术可以抑制激光噪声,提高大型激光干涉仪的灵敏度.光电负反馈控制需要将光电探测器信号与电压基准源信号相减,之后经过比例积分微分器得到误差信号,来控制泵浦电流驱动器的输出功率,从而实现激光噪声抑制.由于光电探测器信号受激光强度影响,其输出电压在一定范围内变化,这就需要电压基准源信号的输出电压可变;另外,电压基准源的性能直接影响反馈控制环路的整体性能,是激光噪声抑制的下限.本文通过选定低噪声基准芯片及数模转换芯片,设计外控电路、采用低温漂系数元件、通过精密布板及电磁屏蔽等方案,研发高精度低噪声程控电压基准源;并通过可编程逻辑门阵列模块编程控制数模转换,实现程控电压基准源输出电压精密变化.结果表明: 所研发的电压基准源输出电压范围为—10 V—＋10 V,输出电压分辨率达20 bit,在空间引力波频段输出电压的相对噪声谱密度低于9.6 ×10—6 Hz—1/2,基准源噪声性能均优于相应引力波探测中对激光强度噪声要求,为引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑.

1 引言

引力波的探测为进一步研究宇宙提供了全新的观测手段,由于其在传播过程中不会被天体阻挡,能够携带传统电磁探测无法携带的信息,同时引力波避免了宇宙起源时对电磁辐射的不透明性,对人类探索宇宙的起源和演化具有重要的意义[1-4].大型激光干涉仪作为空间引力波探测装置,需要使用低噪声激光光源构建大尺度空间激光干涉仪,由于空间引力波探测系统致力于探测频段为0.1 mHz—1 Hz 范围的由双致密星系统、以及极大质量比双黑洞天体并合时产生的引力波,这就需要激光光源在探测频段具有更低的噪声[5].

相比于被动模式清洁器抑制噪声[6,7],激光注入锁定抑制噪声[8,9]、基于半导体光放大增益饱和效应抑噪方案,光电负反馈控制泵浦电流不会引入过大的腔损耗,因此不会造成激光功率的明显衰减,更重要的是其他抑噪方法大多应用于兆赫兹或者千赫兹频段噪声抑制,而光电反馈抑噪技术在低至毫赫兹处仍有显著的抑噪效果,所以采用光电负反馈法是进行低频段激光强度噪声抑制的有效技术手段[10],其原理是利用光电探测器探测待稳定激光,并将其转化成电信号,然后与稳定的基准电压源进行比较获取误差信号,之后经伺服系统输出反馈信号,并作用于泵浦源的驱动电路,通过改变泵浦电流实现对激光器输出功率的调节,从而抑制强度噪声[11].低噪声高稳定性的电压基准源是光电负反馈法中的关键器件,为了提高强度噪声抑制反馈效果,需要降低其电子学噪声,并拓展基准源动态工作范围.

电压基准源最早是用齐纳二极管的反向稳压实现的.对于齐纳二极管,因其具有相当薄的耗尽区,当反向偏压在齐纳电压附近时,耗尽区两侧的电场便足以从价带中拉出电子,以至于齐纳二极管两端电压变化较小时也可产生很大的电流变化,这种状态称为齐纳击穿,齐纳击穿是可恢复过程,其为齐纳二极管的正常工作状态,所以可以根据其伏安特性实现稳定的电压输出.在1964 年,Hilbiber[12]利用不同类型NPN 管PN 结不同的温度系数相互抵消,得到了一个可稳定工作12000 h 噪声控制在10 µV 的参考电压源.而在1971 年,Widlar[13]利用晶体管发射极-基极电压的负温度系数和两个工作在不同电流密度下的晶体管发射极-基极电压差的正温度系数相互一阶抵消,得到了在常温下温度系数为零的参考电压源.当温度T=0 ℃的时候,此电压源输出的参考电压恰好就是硅的带隙电压(1.205 V).所以这类基准被命名为“带隙基准”,由于发射极-基极电压具有很好的片上一致性,其偏差仅有±2%—±5%,这让带隙基准成为如今最为常用的基准之一.随着工业的发展,采用CMOS工艺的电压基准源在精度,稳定度和集成度方面均有所提升,且降低了功耗[14,15],但COMS 的带隙电压基准的速度较低,驱动能力差,无法应用于高集成度高响应速度的领域中,在空间引力波光电反馈抑噪中不会优先考虑使用带隙电压基准.

初期的齐纳二极管击穿发生在硅表层,硅表层不仅有更多杂质、品格缺陷和机械应力,而且更容易受表面氧化层中迁移电荷和外界环境的影响,这导致功耗大,初始精度低,长期稳定性差,而且其温度系数差,噪声较大,这不利于空间引力波探测的低频抑噪工作.而随着技术进步,深埋型齐纳二极管得以实现,它将击穿区植入硅表面以下,从而避免表层影响,相较于表层齐纳二极管,其在温漂系数,时间漂移和噪声特性等方面都有显著提升.而且其具有很高的初始精度,噪声电压低、工作电压范围宽,可用于12 位或更高分辨率的系统当中.在二十世纪八十年代,美国Linear 公司使用了齐纳二极管深埋技术生产了噪声水平在1 ppm 以下的LTZ1000 基准电压芯片[16].美国Analog Devices公司生产的AD587 芯片使用的离子植入嵌入式齐纳二极管同样属于深埋齐纳二极管,其电压噪声水平可达0.5 ppm 以下[17].

各种各样的电路结构为电压基准源的发展奠定了基础;然而,对于基准电压源在低频段的性能表现,却是近些年随着引力波话题的出现才逐渐引起人们的重视的,在此之前鲜有对基准源的噪声进行分频段表征.2005 年,德国小组基于AD587 实现了0.1 mHz 处相对噪声功率谱密度为6.1×10—6Hz—1/2的10 V 固定输出电压基准源[10];笔者课题组在发展空间引力波频段强度噪声评估系统基础上[18],也研发了基于深埋型齐纳二极管的LTZ1000 基准电源,相对噪声功率谱密度在0.01 mHz 时达到1.8×10—3Hz—1/2,在0.1 mHz—1 Hz 的频率范围内在4.9×10—4Hz—1/2以下[19].上述都是固定电压输出的基准源,通过精密数模转换可以用于研发输出电压可变的基准源[20],但仍需对其在空间引力波频段的噪声特性进行测试评估与噪声表征.

本文通过选定低噪声基准芯片及数模转换芯片,设计外控电路、采用低温漂系数元件、通过温控及电磁屏蔽等,研发高精度低噪声程控电压基准源;并通过可编程逻辑门阵列(FPGA)模块编程控制数模转换,实现基准源电压变化,以此来配合数字比例积分微分电路(PID)进行整个反馈系统的数字化控制,并实现自校准基准输出,解决了手动调节模拟电路操控精度低的问题.

2 程控精密电压基准源设计

程控高精度可调电压源的工作原理如图1 所示,包含高稳定参考电压基准、高分辨率数模转换以及程控软硬件等部分.其中高稳定参考电压基准作为整个程控可变电压源的电压基准,其噪声及稳定性直接影响整个系统的绝对精度.

图1 程控基准源原理示意图Fig.1.Schematic diagram of the programmable reference source.

根据空间引力波探测的需要,在筛选基准芯片时主要关注其温漂系数与电压噪声.对比两种常用的深埋齐纳二极管电压基准芯片AD587 与LTZ1000性能,其中AD587 的温漂系数为5 ppm/℃,电压噪声为0.4 ppm[17];而现在的LTZ1000 芯片的温漂系数可达0.05 ppm/℃,电压噪声为0.17 ppm[16].故选取噪声及温漂系数小的LTZ1000 芯片作为基准芯片进行电压基准源的设计.

随后需要选择合适的高精度数模转换器(DAC)用以调节基准源输出电压,AD5791 是一款20 bit的单芯片无缓冲电压输出数模转换器,其利用薄膜电阻匹配技术以及R-2R 精密电压模式架构来实现1 ppm 相对精度以及0.05 ppm/℃的温度漂移系数,且与标准SPI 接口兼容为设计程控系统提供了便利[20].

如图2 所示,以LTZ1000 基准板子为外部参考电压提供7.2 V 基准电压输入,经运算放大器ADA4077 将电压放大至±10V供给主芯片AD5791,但因为DAC 基准输入的输入阻抗与码高度相关,如果DAC 基准电压源未经充分缓冲,将导致线性误差.AD8676 的开环增益高达120 dB,经过验证和测试,符合本电路应用关于建立时间、失调电压和低阻抗驱动能力的要求.而AD5791 经过表征和工厂校准,可使用双通道运算放大器AD8676 对其基准电压输入进行缓冲,从而进一步增强配套器件的可靠性.输出端缓冲使用了AD8675,这是一款精密的宽带宽运算放大器,具有超低的失调、漂移和电压噪声,而且输入偏置电流在整个工作温度范围内均非常低,可以最大程度的保真输出电压.外部结合FPGA 或PC 给予AD5791芯片SPI 信号,以精准控制输出电压值.

图2 程控基准源结构示意图Fig.2.Schematic diagram of the programmable reference source structure.

在面向引力波探测的激光强度噪声抑制中,需要将主激光束分出一部分激光用于光电探测,之后和电压基准进行比较并作为误差信号,经过PID后反馈到半导体泵浦源调控驱动电流,实现光电负反馈抑制激光噪声.由于在不同激光输出功率下进行分束以及光电探测增益不同,导致光电负反馈时光电探测输出电压不同,这就需要实现可调输出电压的基准源,同时在面向空间引力波激光噪声评估与抑制中,研发相应的远程控制及数字控制手段来适应空间技术应用的需求.

所以本文利用FPGA 模块实现程控变压基准,将PID 程控编码到FPGA 模块中,结合各种数字滤波实现对电压基准源输出的控制,FPGA 的优势已经在光学腔锁定等领域得到检验,可以为基于数字反馈控制技术实现激光噪声抑制提供有效关键器件.

3 实验装置、过程及结果分析

在初步实现基于LTZ1000 芯片的单电压输出的基准电压源基础上,进一步结合数模转换芯片(AD5791)进行整体程控可调变压基准源的研发.在选择低噪声芯片基础上,进行外围电路设计,且外围电路所需元件也需要低噪声及低温漂系数等要求,并进一步需要进行元件老化筛选,以便实现高稳定电压输出.

在选择低噪声芯片及元件基础上,还需要遵循精密电路构建,采用数字控制端口、模拟变压部分以及供电接口有效隔离,避免电源噪声干扰数字控制信号及模拟信号输出,以及利用数字地屏蔽数字时钟及控制信号,避免数字脉冲电压对其他器件的影响;将供电电源及接地回路有效布局,通过在电源供电端并联旁路电容以及串联磁珠电感等措施,可以避免电源噪声耦合;各种布线的宽度遵循电流限制规则,避免高阻抗路径.此外,将整体电路放置于电磁屏蔽外壳中,进一步消除外界电磁干扰,降低各种元件在整个电路中的噪声耦合和干扰.

在低频降噪工作中,由于温度变化是诱使低频噪声出现的主要因素,所以在元件选择上必须考虑低温漂系数的元件.可以通过运算放大器失调电压的温度漂移来评估其性能,AD8675 与AD8676 具有小于0.6 µV/℃的失调电压漂移,噪声波动的峰峰值均在0.1 µV 以下;ADA4077 的失调电压漂移小于0.55 µV/℃,长时间电压漂移(10000 h)在0.5 µV以下[21-23].此外,为了实现高精度和高稳定性电压输出,利用绝热材料包覆电磁屏蔽外壳,实现电路整体温度稳定.

进一步,NI-PXIe 7852 FPGA 模块拥有96 路数字IO 和8 路模拟I/O 接口,通过FPGA 编程可实现高精度数字反馈控制,信号和操作的同步与计时高度可控,数字线均可以灵活的独立配置协议.利用此FPGA 模块输出多路数字控制时序进行数模操控,在实现可远程控制、操控界面方便等优势的同时,可进一步为实现数字化、智能化光电负反馈方案提供基础.

图3 展示了程控基准的测试实验系统,由于目前没有可靠的频谱分析仪等设备可以直接分析空间引力波探测频段0.1 mHz—1 Hz 频段噪声,使用高精度数字万用表结合对数频率轴功率谱密度估计算法[24-+],发展了一套低频段激光强度噪声测试评估技术[18].利用高精度数字万用表采集程控变压源输出电压,得到电压噪声时域噪声信息,之后通过LPSD 算法进行谱密度分析,得到频域噪声信息,从而实现对电压噪声的全面分析.

图3 低噪声程控基准源测试实验系统示意图(λ/2: 半波片;PBS: 偏振分束器;PD: 光电探测器;PID: 比例积分微分运算器;DAC: 数模转换器)Fig.3.Schematic diagram of the low-noise numerical control reference source test experimental system (λ/2: half-wave-plate;PBS:polarization beam splitter;PD: photodetector;PID: proportional-integral-derivative arithmetic unit;DAC: digital-analogconverter).

在采集数据前,需要将所有设备进行1—2 h预热稳定,输出电压信号经屏蔽线缆输入高精度万用表,通过LabVIEW 编写的操控及算法评估程序对高精度万用表进行直流电压信号采集以及LPSD算法[27,28].为了保证极低频段激光强度噪声的准确性,必须对仪器部件等可能的噪声源进行低频段评估表征,这就需要确定高精度数字万用表仪器本底噪声是否满足实验需求.

进一步重新对外部单一输出的基准源进行布局设计,故需测量基于LTZ1000 芯片的基准电压输出.实验结果如图4 所示,其中图4(a)为时域数据,根据数据统计可知,在5 h 内,LTZ1000 芯片波动峰峰值为 2×10-5V,均值为 7 .11297 V;图4(b)为LPSD 算法处理结果,由处理结果可知LTZ1000 的噪声在0.1 mHz—1 Hz 范围内低于1.4×10—6Hz—1/2,在1 mHz—1 Hz 范围低于6.7×10—7Hz—1/2,此噪声水平低于LISA 对星载激光强度噪声要求(2×10—4Hz—1/2@0.1 mHz—1 Hz)3 个数量级.

图4 LTZ1000 芯片输出与3458 A 电子学噪声 (a)时域信号;(b)噪声功率谱Fig.4.LTZ1000 chip output and 3458 A electronic noise: (a) Time domain;(b) spectrum estimations.

将LTZ1000 提供的单一输出基准信号接入AD5791 参考电压端,利用FPGA 模块编程输出10 路数字信号,分别控制AD5791 芯片的“SCLK”,“SDIN”,“CLR”,“INVCC”,“DGND”,“SYNC”,“LDAC”,“DGND”,“RESET”,“SDO”等十路信号,根据特定时钟以及控制时序可以使AD5791 内部数模转换[20],进而得到不同基准电压输出,图5(a)显示了一组在连续改变数字控制编码基础上,程控基准源线性变化实验结果,可知程控变压基准源输出电压范围为±10 V,图5(b)为电压变化步长实际测试结果,从实验结果可知实测输出电压最小步长为18.99±0.68 µV,达到20 bit分辨率.

图5 (a)基准输出范围测试;(b)基准输出电压精度测试Fig.5.(a) Reference output range test;(b) reference output voltage accuracy test.

进一步,将程控基准源输出设置为1 V,5 V,7 V,10 V,测量其长期输出稳定性及频域噪声特性,实验结果如图6 所示,其中图6(a)中从上往下依次为不同输出设置时5 h 内的时域数据,图6(b)为对应频域数据,从图6(b)可知,输出电压在10 V±5 µV 时,在0.1 mHz 处,基准输出电压的相对噪声功率谱密度为2.0×10—6Hz—1/2;输出电压在7 V±5 µV 时,在0.1 mHz 处,噪声为3.3×10—6Hz—1/2;输出电压在5 V±5 µV 时,0.1 mHz 处,噪声为4.2×10—6Hz—1/2;输出电压在1 V±5 µV,在0.1 mHz 处,噪声为9.6×10—6Hz—1/2.可见,程控基准在其工作电压范围内均可达到引力波探测所要求的噪声水平.

图6 (a)程控基准源1—10 V 输出;(b)程控基准源1—10 V 输出的噪声功率谱Fig.6.(a) 1—10 V output of programmable reference source;(b) noise power spectrum of 1—10 V output of the programmable reference source.

4 结论与展望

基于LTZ1000 低噪声基准芯片,结合高精度数模转换器及精密外围电路设计,并通过FPGA模块编程等技术手段研发出精密程控电压基准源.利用高精度数字万用表对基准源输出电压进行长时间测试采集,并通过LPSD 算法进行频域噪声评估,实现对所研发基准源输出电压噪声的时域及频域全方位评估测试.所研发基准源在输出电压为1 V,5 V,7 V 和10 V 时,5 h 内时域噪声均小于1.3 ppm,其相对噪声谱密度均小于9.6×10—6Hz—1/2@0.1 mHz,1.2×10—6Hz—1/2@1 mHz 及3.1×10—7Hz—1/2@1 Hz;从线性度测试中可知程控基准源的输出电压范围为±10 V,输出电压分辨率达20 bit;在此基础上,通过编程可实现基于FPGA模块的数字PID 算法,则可为0.1 mHz—1 Hz 频率范围内的光电反馈抑制激光强度噪声提供基准电压精密输出及数字PID 相结合的全链条反馈控制回路,为空间引力波探测中抑制激光噪声提供方案及关键器件.