一種微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，包括：依次耦合連接的第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路；第一級(jí)和第三級(jí)放大電路均為比例差分放大電路，第二級(jí)放大電路為高通濾波差分放大電路；第一級(jí)放大電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一集成運(yùn)放和第二集成運(yùn)放；第二級(jí)放大電路包括第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第一電容、第二電容和第三集成運(yùn)放；第三級(jí)放大電路包括第八電阻、第九電阻和第四集成運(yùn)放；本發(fā)明針對(duì)海洋傳感器輸出微弱信號(hào)的檢測(cè)電路存在的缺點(diǎn)，提供一種寬頻帶、低噪聲的放大電路，本放大電路在0.1Hz-10MHz寬頻帶范圍內(nèi)都能進(jìn)行納米級(jí)微弱信號(hào)的有效放大。
【專利說(shuō)明】一種微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，特別涉及一種微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶、低噪 聲差分放大電路，該電路可以對(duì)電磁式海流計(jì)前置傳感器輸出地微弱信號(hào)進(jìn)行有效放大， 同時(shí)也可以用于測(cè)量多種傳感器材料的頻域內(nèi)本底噪聲水平。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在海流測(cè)量?jī)x器研發(fā)中，電磁式海流計(jì)因其采用地磁場(chǎng)作為激發(fā)場(chǎng)源，自身 設(shè)備無(wú)須設(shè)計(jì)發(fā)射源，使得前端探頭較為輕便。相對(duì)于其它海流測(cè)量設(shè)備更加快速、便捷， 適合于多種海洋環(huán)境下的參數(shù)測(cè)量。如文獻(xiàn)：張啟升等在《地球物理學(xué)報(bào)》2013年第56 (11) 卷3699-3707頁(yè)發(fā)表的文章《投棄式海流電場(chǎng)剖面儀研制》，由于海水運(yùn)動(dòng)切割地磁場(chǎng)所產(chǎn) 生的電場(chǎng)幅度十分微弱，精度在lcm/s海流計(jì)所產(chǎn)生的信號(hào)是納伏級(jí)（nV)，噪聲不應(yīng)大于 50nV。一般的前置放大器不能實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)期的微弱信號(hào)進(jìn)行不同頻率下無(wú)放大器噪聲干擾的 有效放大。因此，必須制作一種微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶、低噪聲放大電路。
[0003] 目前，薄膜導(dǎo)電材料由于其性能穩(wěn)定、易于集成、噪聲較低，在海洋傳感器中的應(yīng) 用越來(lái)越廣泛。薄膜導(dǎo)電材料的本底噪聲水平是制約器件靈敏度與檢測(cè)精度的一個(gè)關(guān)鍵 參數(shù)，直接決定了傳感器的信噪比（S/N)。如文獻(xiàn)：吳勇等在《電子元件與材料》2006年第 25 (1)卷55-65頁(yè)發(fā)表的文章《鎳鉻薄膜電阻器噪聲特性研究》，該類型薄膜電阻器在3mA電 流條件下，IHz處的Ι/f噪聲為1X10_ 14V2/Hz，大于IOOHz后的白噪聲為6X10_17V2/Hz。因 此，必須制作一種放大電路在相應(yīng)頻率下的噪聲水平應(yīng)該低于材料的本底噪聲，才能對(duì)該 類型薄膜材料的噪聲信號(hào)進(jìn)行有效測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要針對(duì)海洋傳感器輸出微弱信號(hào)的檢測(cè)電路存在頻帶窄、噪聲高的缺 點(diǎn)，提供一種寬頻帶、低噪聲的放大電路，本放大電路在0. ΙΗζ-ΙΟΜΗζ寬頻帶范圍內(nèi)都能進(jìn) 行納米級(jí)（nV)微弱信號(hào)的有效放大，而且自身噪聲水平較低。
[0005] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：
[0006] -種微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，包括：第一級(jí)放大電路、第二級(jí) 放大電路和第三級(jí)放大電路；上述三個(gè)放大電路依次耦合連接，所述第一級(jí)和第三級(jí)放大 電路均為比例差分放大電路，所述第二級(jí)放大電路為高通濾波差分放大電路；其中：
[0007] 所述第一級(jí)放大電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一集成運(yùn)放和第二集 成運(yùn)放；所述第二電阻連接于第一集成運(yùn)放的正相端和引出端之間；所述第三電阻連接于 第二集成運(yùn)放的負(fù)相端和引出端之間；所述第一電阻連接于第一集成運(yùn)放的正相端和第二 集成運(yùn)放的負(fù)相端之間；所述第一集成運(yùn)放的負(fù)相端為信號(hào)輸入端，所述第二集成運(yùn)放的 正相端接地；
[0008] 所述第二級(jí)放大電路包括第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第一電容、第 二電容和第三集成運(yùn)放；所述第一集成運(yùn)放的引出端依次通過(guò)第一電容、第四電阻與第三 集成運(yùn)放的負(fù)相端連接；所述第二集成運(yùn)放的引出端依次通過(guò)第二電容、第五電阻與第三 集成運(yùn)放的正相端連接；所述第六電阻連接于第三集成運(yùn)放的負(fù)相端和引出端之間；所述 第三集成運(yùn)放的正相端通過(guò)第七電阻接地；
[0009] 所述第三級(jí)放大電路包括第八電阻、第九電阻和第四集成運(yùn)放；所述第三集成運(yùn) 放的引出端與第四集成運(yùn)放的正相端連接；所述第四集成運(yùn)放的負(fù)相端通過(guò)第九電阻與第 四集成運(yùn)放的引出端連接；所述第四集成運(yùn)放的負(fù)相端通過(guò)第八電阻接地；所述第四集成 運(yùn)放的引出端為信號(hào)的輸出端。
[0010] 本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)措施：
[0011] 進(jìn)一步：所述第一電阻的阻值為100Ω，第二電阻阻值為500Ω，第三電阻的阻值 為 500 Ω。
[0012] 更進(jìn)一步：所述第一電容的電容值為10(^?，第二電容的電容值為10(^?，第四 電阻的阻值為2ΚΩ，第五電阻的阻值為2ΚΩ，第六電阻的阻值為20ΚΩ、第七電阻的阻值為 20ΚΩ。
[0013] 更進(jìn)一步：所述第八電阻的阻值為IK Ω，第九電阻的阻值為IOK Ω。
[0014] 更進(jìn)一步：所述第一電容與第四電阻組成第三集成運(yùn)放負(fù)相端的高通濾波器，第 二電容與第五電阻組成第三集成運(yùn)放正相端的高通濾波器，所述高通濾波器的計(jì)算公式 為：

【權(quán)利要求】
1. 一種微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，其特征在于：包括：第一級(jí)放大 電路、第二級(jí)放大電路和第三級(jí)放大電路；上述三個(gè)放大電路依次耦合連接，所述第一級(jí)和 第三級(jí)放大電路均為比例差分放大電路，所述第二級(jí)放大電路為高通濾波差分放大電路； 其中： 所述第一級(jí)放大電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一集成運(yùn)放和第二集成運(yùn) 放；所述第二電阻連接于第一集成運(yùn)放的正相端和引出端之間；所述第三電阻連接于第二 集成運(yùn)放的負(fù)相端和引出端之間；所述第一電阻連接于第一集成運(yùn)放的正相端和第二集成 運(yùn)放的負(fù)相端之間；所述第一集成運(yùn)放的負(fù)相端為信號(hào)輸入端，所述第二集成運(yùn)放的正相 端接地； 所述第二級(jí)放大電路包括第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第一電容、第二電 容和第三集成運(yùn)放；所述第一集成運(yùn)放的引出端依次通過(guò)第一電容、第四電阻與第三集成 運(yùn)放的負(fù)相端連接；所述第二集成運(yùn)放的引出端依次通過(guò)第二電容、第五電阻與第三集成 運(yùn)放的正相端連接；所述第六電阻連接于第三集成運(yùn)放的負(fù)相端和引出端之間；所述第三 集成運(yùn)放的正相端通過(guò)第七電阻接地； 所述第三級(jí)放大電路包括第八電阻、第九電阻和第四集成運(yùn)放；所述第三集成運(yùn)放的 引出端與第四集成運(yùn)放的正相端連接；所述第四集成運(yùn)放的負(fù)相端通過(guò)第九電阻與第四集 成運(yùn)放的引出端連接；所述第四集成運(yùn)放的負(fù)相端通過(guò)第八電阻接地；所述第四集成運(yùn)放 的引出端為信號(hào)的輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，其特征在于：所 述第一電阻的阻值為100Ω，第二電阻阻值為500Ω，第三電阻的阻值為500Ω。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，其特征在于：所 述第一電容的電容值為100μF，第二電容的電容值為100μF，第四電阻的阻值為2ΚΩ，第 五電阻的阻值為2ΚΩ，第六電阻的阻值為20ΚΩ、第七電阻的阻值為20ΚΩ。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，其特征在于：所 述第八電阻的阻值為IKΩ，第九電阻的阻值為IOKΩ。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，其特征在于：所 述第一電容與第四電阻組成第三集成運(yùn)放負(fù)相端的高通濾波器，第二電容與第五電阻組成 第三集成運(yùn)放正相端的高通濾波器，所述高通濾波器的計(jì)算公式為： AI4C1， 其中R4為第四電阻的阻值，R5為第五電阻的阻值，Cl為第一電容的電容值，C2為第二 電容的電容值，f為頻率，j為復(fù)數(shù)的虛部單位，R4C1 =R5C2 = 0. 20為時(shí)間常數(shù)； 所述高通濾波器截止頻率fc的值為0. 80Hz，計(jì)算公式為： ,_丨_1 'IitRiCi 2π^(\
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，其特征在于： 在頻帶為ΙΟΗζ-ΙΟΜΗζ范圍內(nèi)，所述寬頻帶低噪聲差分放大電路的輸入白噪聲功率譜密度 d(/)為3. 12X10_18V2/Hz，在頻率為IHz時(shí)，所述寬頻帶低噪聲差分放大電路的輸入1/f 噪聲功率譜密度<",(/)為I. 35X1(Γ17ν2/Ηζ;所述寬頻帶低噪聲差分放大電路的噪聲水平 主要由第一級(jí)差分放大電路的噪聲決定，其計(jì)算公式為：
其中4"(/)為第一集成運(yùn)放的電壓噪聲功率譜密度，A12(Z)為第二集成運(yùn)放的電壓噪 聲功率譜密度，<(/)為第一電阻（R1)的等效電壓功率譜密度，'2(/)為第二電阻的等效 電壓功率譜密度，^4(/)為第三電阻的等效電壓功率譜密度；Rl為第一電阻的阻值，R2為第 二電阻的阻值，R3為第三電阻的阻值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述微弱信號(hào)測(cè)量的寬頻帶低噪聲差分放大電路，其特征在于：所 述第一集成運(yùn)放、第二集成運(yùn)放、第三集成運(yùn)放、第四集成運(yùn)放均為寬頻帶、高精密、低溫 漂、低噪聲的雙極場(chǎng)效應(yīng)管運(yùn)算放大器AD797,當(dāng)頻率處于ΙΟΟΗζ-ΙΟΜΗζ范圍內(nèi)，白噪聲功 率譜密度為8.IOX1(T19V2/Hz，當(dāng)頻率為IHz時(shí)，Ι/f噪聲功率譜密度為6. 76XKT19VVHz;所 述第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第 九電阻均為高精度密封金屬膜固定電阻器；所述第一電容和第二電容均為鋁電解電容器。
【文檔編號(hào)】H03F1/26GK104320092SQ201410659703
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】吳晟, 梁津津, 劉寧 申請(qǐng)人:國(guó)家海洋技術(shù)中心