纳伏级微弱信号放大电路的设计

2012 年 8 月 第 8 期 电 子 测 试 ELECTRONIC TEST Aug. 2012 No.8 52 安慰东， 刘 杰， 包德州， 刘平安 （中国石油集团测井有限公司技术中心， 陕西西安 710071） 摘要：针对工程测量领域的实际需求，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片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，采用多级放大电路组态方式，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 amplification 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 field of engineering measuring, designing an amplification circuit of weak signal which is the Nan voltmeter level. Selecting a low noise differential signal amplifier chip to reduce the equivalent input noise. Also designing the corresponding signal conditioning circuit, Using the multi-stage amplifier circuit mode, after a multi-level filtering ,multi-level amplifying, gradually increasing the signal to noise ratio. Through the experiment, using the noise of different frequency bands to verify the improvement of the SNR. And using the Multisim Simulation software to analyze the system noises. Effectively inhibit all 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 differential signal amplifier; multi-level filtering; SNR 纳伏级微弱信号放大电路的设计 53 测试工具与解决 2012.8 0 引言 微弱信号检测是利用电子学、物理学的方法， 检出并恢复被噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检 测技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信 号，提高检测系统输出信号的信噪比 [1]。 对于微弱信号的检测 , 前置放大器是引入噪 声的主要部件之一 , 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 , 而电路可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 [2]。 1 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 A/D 采集电路进 行数模转换。 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 器共模抑制能力有比较高的 [3]。所以我们采 用了一片 AD620 来组建初级放大器。 AD620 是一款低成本，高精度仪表放大器， 仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为 1至 10 000[4]。其封装图和内部结构图分别如图 2、图 3 所示 [5]。 图 2 AD620 封装图 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 [6]。 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 ： 54 Test Tools & Solution2012.8 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，R5 设置为 5.49 kΩ, 结果如图 5a、图 5b 所 示 ：图 5a 为仿真电路原理图，5b 为仿真结果图。 图 5a 仿真电路图 图 5b 初级放大电路仿真结果 图 5a 中 XFG1 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 5b 所示 ：放大倍数为 10 倍。 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。本文采用了一片超低噪声四运放 （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 1 kHz 的信号作为噪声，1 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 1 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性 能进行统计分析 [8]，它可以将系统内的所有器件 55 测试工具与解决方案 2012.8 表1 前放对噪声频带内的信号抑制情况 噪声频率 （Hz） 输入 输出 SNR 改善 Vsig (uV) Vnoise (uV) SNRin Vsig (mV) Vnoise (mV) SNRout 30 100 100 0 287 10.1 14.53 14.53 100 100 100 0 287 0.12 33.79 33.79 1K 100 100 0 287 0.0018 52.03 52.03 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。 图 6 系统的噪声谱密度 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布还是比较均匀平坦。在 1 Hz 处的噪声密度约为 10 μV/sqrt(Hz)。整个系统噪声最 低点可以达到 10 nV/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 [1] 章克来,朱海明.微弱信号检测技术[J].航空电 子技术,2009,40(2). [2] 高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版 社,2004. [3] 楼钢,李伟,邓学博.小信号放大电路设计[J].浙 江理工大学学报,2007,24(6):1-4． [4] Analog Devices, Inc.Low Cost,Low Power Instrumentation Amplifier[OL]. Dallas:Anolog Devices,Inc,2004. [5] 王树振.单威.AD620仪用放大器原理与应用 [J].微处理机,2008(4). [6] 曹军.仪器放大器AD620性能及其应用[J].电 子器件,1997(3). [7] Analog Devices, Inc.Very Low Noise Quad Operational Amplifier[OL]. http://wenku. baidu.com/view/a6712d0abb68a98271fefa8b. html. [8] 王冠华.Multisim10电路设计及应用[M].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:278391729@qq.com