基于超微晶合金的傳感器噪聲匹配變壓器設計*

樊尚春，陶澤輝，邢維巍

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

隨著微電子技術尤其是MEMS微傳感器技術在智能儀表等電子設備中的應用，傳感器的輸出信號越來越微弱，并伴隨著大量的內外部電磁干擾。提高檢測信號的精度的一個重要措施就是采用抗強干擾的低噪聲前置放大器。為使放大器的噪聲系數達到最小值，最好的方法就是改變呈現在放大器輸入端傳感器的阻抗大小[1]。常見的噪聲匹配方法除變壓器法外，還有電阻法、有源器件級聯法以及負反饋電路法等，但是以上方法在實際應用中有著明顯的缺點[2]，而采用變壓器則可以簡單有效地達到這樣的效果[3]。

通常由鐵氧體等材料制作的變壓器的線圈和鐵芯會產生較大的損耗，并會帶來大量干擾[4－5]，使得整體噪聲系數情況變壞，且體積較大，效率較低。隨著軟磁材料的發展尤其是非晶超微晶等軟磁材料的發展[6－9]，上述問題就可以得到較好地解決[10－11]。

本文通過對不同類型軟磁材料特性的進行分析測試，設計了一種基于VAC500F超微晶合金的噪聲匹配變壓器，其較高的性能使傳感器前置放大器的噪聲性能達到一個較高的水平。

1 放大器最佳噪聲匹配分析

任何一個放大器內部都會有噪聲源，而前置放大器的噪聲主要由有源器件引起。放大器噪聲特性通常采用噪聲系數來衡量，大小等于輸出信號信噪比與輸入信號信噪比之比，噪聲系數和呈現在前置放大器輸入端的傳感器阻抗緊密相關。

圖1 放大器噪聲模型

傳感器及前置放大器的噪聲模型可簡化如圖1所示電路，其中Es為傳感器的輸出信號，Rs為傳感器的輸出阻抗，4kTRsΔf為傳感器輸出阻抗的噪聲，En為放大器等效噪聲電壓源，In為放大器等效噪聲電流源。

放大器噪聲系數可以表示為:

通過調整變壓比n使Rso=n2Rs，則可使放大器的達到最佳噪聲匹配，且不會增加源阻抗大小。此時放大器達到最小噪聲系數，為

圖2所示為一放大器噪聲系數等值曲線圖。在1 k～100 kHz頻帶范圍內，傳感器的阻抗若從100 Ω匹配為100 kΩ，則放大器輸出信號的信噪比將有超過20 dB的改善，這對于檢測輸出信號微弱的傳感器是極大的提高。

圖2 放大器噪聲系數等值曲線圖

雖然變壓器的線圈和鐵芯會有損耗電阻，使得信噪比和整體噪聲系數情況變壞，體積較大等不利因素。但隨著軟磁材料尤其是超微晶合金材料的發展和進步，其超高磁導率和極低的矯頑力、矩形比和鐵損使得變壓器性能已經有大幅度的提高，此外超微晶合金的磁滯伸縮效應更低，其輸出信號受影響更小，在信號頻率較高時可及為有效地改善電路系統的噪聲系數。

2 匹配變壓器特性分析

2．1 匹配變壓器材料特性分析與測試

磁芯材料是決定匹配變壓器特性的最主要因素，下面將通過對不同材料的磁導率、矯頑力、鐵損、矩形比、工作磁感應強度等方面對信號進行分析和測試。

圖3所示為普通鐵氧體材料和500F超微晶材料的磁滯回線對比圖。可以看出500F在工作磁感應強度、矯頑力、磁導率等指標上遠優于普通鐵氧體，其參數對比如表1所示。經計算和測試可知:同形狀磁芯制作的變壓器在0．2 T，20 kHz的相同磁場強度下，500F的磁感應強度為PC40鐵氧體材料的5．6倍，其磁滯損耗為7%，渦流損耗為5．8%。

圖3 磁滯回線對比圖

表1 軟磁材料參數

軟磁材料根據矩形比的不同分為普通(R型)、矩形(Z型)、扁平型(F型)三類，所制作的變壓器輸出信號諧波也因材料矩形比而不同。表2給出了三種不同矩形比軟磁材料在10 kHz、3 mA/m的磁場強度條件下2、3次諧波通過頻譜分析儀2390A的測試結果，其中6025Z為鈷基非晶合金。可以看出軟磁材料矩形比越低，其勵磁曲線線性度越高，輸出信號的諧波失真越小。

表2 軟磁材料諧波對比

通常軟磁材料的相對磁導率會隨著磁場強度，頻率以及溫度等參數變化，導致勵磁電流和感應電動勢不呈為線形關系，而產生諧波。根據測試結果可以發現，矩形比越低的軟磁材料，即F型磁滯回線的相對磁導率變化就越小，其諧波也越低。此外磁致伸縮效應會導致鐵氧體等普通軟磁材料輸出信號產生諧波，而超微晶材料幾乎不存在磁致伸縮效應。

通過對比和測試可知:高磁導率、低矯頑力和低矩形比的500F軟磁材料制作的匹配變壓器在損耗、信號失真以及體積重量上有著普通軟磁材料不可比擬的優勢，在改善電路系統的噪聲系數有著更明顯的效果。

2．2 匹配變壓器特性分析和設計

由于阻抗匹配變壓器的匹配效果并非是理想的，因而在實際設計中應當對其特性分高低頻分別進行討論[12]。

變壓器低頻等效電路如圖4所示。若變壓比為1∶n，傳輸效率為η，則線圈匝數比應當為，其中Rs為源阻抗，r1為初次級線圈銅阻，Lm為初級線圈電感量，rc為鐵損等效電阻為負載R'映射到初級的阻抗為次級線圈銅阻映射到初級的阻抗。考慮到負載R非常大，將線圈銅阻計入源阻抗及負載，其傳遞函數為:

圖4 變壓器低頻等效電路

變壓器高頻端等效電路如圖5所示，其中Ls1為初級漏感為次級線圈電容等效到初級的電容。同樣考慮到R非常大，其傳遞函數可寫為:

圖5 變壓器高頻等效電路

主要影響量包括了 Ls1和C2，應當分別討論。當Ls1影響較大時，其高頻－3 dB截止頻率為fH=R/2πLs1;當C2影響較大時，其高頻－3 dB截止頻率為 fH=1/2πRC2。

由上述分析可知，較好的低頻響應就需要變壓器有更多的線圈匝數和更小的銅阻和鐵損，但過多的線圈匝數會導致漏感和分布電容等寄生參數的增加，使高頻頻響變差。而有著高磁導率、高電阻率和低矯頑力特性的500 F可以在更少的線圈匝數情況下達到同樣的電感量，并能顯著減小銅阻、分布電容以及鐵損，可較好地解決上述的問題。

3 噪聲匹配變壓器實驗驗證

噪聲匹配變壓器實驗方法如圖6所示，通過對無變壓器、PC40及500F制作的變壓器輸出信號的信噪比的對比來進行驗證，采用安捷倫34401A數字萬用表測量輸出信號來計算信噪比。

圖6 實驗方法框圖

某諧振式傳感器采用PGA103作為前置放大器，源阻抗Rs為40 Ω，輸出信號頻率為22～24 kHz，查芯片手冊可知在該工作頻率100倍放大倍數下等效輸入噪聲譜密度為，則最佳源阻抗為Rso=36．8 kΩ，匹配變壓器的變壓比為。

在制作匹配變壓器時，首先應對初級電感量需求進行分析，在20 kHz截止頻率條件下，匹配變壓器初級電感量應為318 μH。考慮到損耗，線圈匝數有適當增加。此外匹配變壓器工作中還應當有比較完善的屏蔽措施。

圖7 噪聲匹配變壓器對比

表3 變壓器參數對比

當輸入信號為100 μV時初級線圈會產生大約2 μA的勵磁電流，500F與PC40的工作磁場強度分別為 2．235 μA/cm 和 2．286 μA/cm。經計算可得出渦流損耗分別為3．31 pW和0．77 pW;磁滯損耗分別為19．2 pW和119 pW，在損耗方面500F有著較為明顯的優勢。

當傳感器輸出的電壓幅度為50 μV時，無變壓器時輸出信號信噪比為41．5 dB，采用PC40制作的變壓器為55．4 dB，而采用500F制作的變壓器為60．1 dB，有著更為明顯的提高。此外500F材料的體積和質量也有著更大的優勢。

由于500F極低的矩形比使得其勵磁曲線線性度更高，輸出信號的諧波比 PC40低了約20 dB，總諧波失真更小。此外由于500F與PC40的初級漏感分別為 0．97 μH 和 7．17 μH，次級分布電容分別4．13 pF和51．8 pF，500F的帶寬可達到 PC40的7倍以上。

4 結論

本文提出了采用F型磁滯回線的500F超微晶合金制作噪聲匹配變壓器的方法，其高磁導率和極低的矯頑力、矩形比及鐵損，體積小、重量輕等特性可更加適合用于制作噪聲匹配變壓器變壓器。試驗結果表明，500F低于0．1%的總諧波失真，18．6 dB的信噪改善比以及較高帶寬和低損耗的性能比普通軟磁材料有著明顯的提高，在改善傳感器信號檢測方面有著更為實用的價值。

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