磁選態銫束管信號微電流放大器的設計與仿真

楊 京，張滌新，王 驥，陳 江，朱宏偉

（蘭州物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

磁選態銫原子鐘具有良好的長期穩定性和可靠性，被廣泛的應用于時間守時授時系統、測距定位、數字通訊、精密大地測量、軍事測繪和科學研究等領域[1]。銫原子鐘由二部分組成：（1）物理部分也就是銫束管，用于產生一個能級躍遷Ramsey信號，經電子倍增器放大后輸入頻標電路進行處理；（2）頻標電路，對Ramsey信號進行鑒頻，利用鎖頻環路去鎖定一個晶體振蕩器產生的固定頻率信號。目前，受到技術和工藝水平的限制，電子倍增器增益日衰減率大、壽命短，直接影響到銫原子鐘的工作壽命和穩定性[2]。

作者采用高性能放大器對銫束管Ramsey信號進行放大，Ramsey信號約為1 pA，要求經過放大后的信號為100 mV，放大器增益要達到1011量級，信號信噪比大于3 500，這對放大器的性能提出了特殊的要求。通過對銫束管信號特性的分析，根據其信號微弱、帶寬窄等特點[3]，選用高精度、高阻抗運算放大器OPA128LM設計了一種放大濾波電路，用于銫束管Ramsey信號的放大；并運用Protel設計了用于微電流放大器參數測試的微電流源，對微電流放大器的功能進行了仿真調試，驗證其功能、技術指標以及修正元器件參數等。

2 微電流放大器的設計

根據Ramsey信號測量對于放大器增益以及噪聲的要求，以高增益、低噪聲作為放大電路設計的2個前提要素，整個微電流放大器由前置放大電路、功率放大電路、濾波電路3部分構成。整個電路總體框圖如圖1所示。

圖1 放大電路總體框圖

其中前置放大電路微弱信號的處理，是最主要的放大部分，關系到整個電路性能的優劣，必須具有高精度、高穩定性、高共模抑制比、低噪聲等特點，故選用OPA128LM作為前置放大電路的芯片。該芯片的最大偏置電流僅為75 fA，共模抑制比高達118 dB，最大失調電壓為0.5 mV，適合微弱信號的放大。與芯片INA128UA構成的功率放大電路就組成了整個電路的主體放大部分，具體的電路圖如圖2所示，其中OPA177和REF200AU構成該微電流放大器的調零部分。

圖2 微電流放大器主體放大電路

為了降低周圍環境以及前級放大電路所帶來的噪聲，在主體放大電路后面，采用芯片UAF42構成的濾波電路來限制帶寬，濾除不需要的噪聲，從而可以極大地改善信號質量。由于Ramsey信號為一個低頻信號，而疊加進來的噪聲相對于信號來說是高頻噪聲，所以將UAF42設置成低通濾波器，截止頻率定為350 Hz。根據該芯片自帶的CAD軟件FILTER42的計算結果[4]，將UAF42設置成PP3工作模式，其中各元器件的參數為RG=50.0 kΩ、RF1=RF2=453.0 kΩ、C1A=C2A=7071 pF、RQ=44.2 kΩ。這樣得到的整個放大電路如圖3所示。

圖3 微電流放大整體電路

此時，整個放大電路的輸出關系為 UO=-Ii×（1+R4÷R3）×R2×（1+50000÷RG）。假如 R4=10 kΩ，R3=1 kΩ，R2=100 MΩ，RG=500 Ω，這樣，放大電路增益可以達到1011量級，滿足Ramsey信號測量對于放大電路增益的要求。

3 Protel[5]仿真調試運行結果

為了驗證所設計的電路是否滿足Ramsey信號放大的要求，比如增益是否達到1011量級以及頻率響應等問題，用電路設計軟件Protel進行了仿真模擬測試。圖4就是為了仿真測試而設計的微電流源，此時輸出電流 IOUT=V1R1÷R2R4。

圖4 仿真微電流源電路

將所設計的微電流放大器和微電流源進行聯合仿真調試，具體的電路圖如圖5所示。

圖5 Protel仿真聯合調試電路圖

3.1 放大電路增益的測量

由于銫束管Ramsey輸出信號在后續頻標電路的處理中要受到137 Hz信號的調制和解調來穩定銫鐘的量子躍遷頻率9 192 631 770 Hz[3]，故在此輸入1 pA、137 Hz的信號來測試放大電路的性能，具體的仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真測試結果

故可以得到該放大電路在輸入信號為137 Hz下的增益A=1.043×1011，滿足Ramsey信號放大對于電路增益的要求。

3.2 參數測量

分別取頻率為 1 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、350 Hz、359 Hz、380 Hz 的信號對電路進行了仿真，仿真結果如表1所列；所設計的Ramsey信號微電流放大電路的通頻帶為1～359 Hz，如圖7所示。

表1 放大電路參數測量結果

圖7 放大電路的頻率響應圖

4 結論

分析了銫束管信號特性，設計了可用于銫束管Ramsey信號測量的放大電路，通過電路應用軟件protel設計了微電流源與放大電路聯合進行了仿真、調試，取得了較好的效果。從調試結果來看，放大器能夠對磁選態銫原子鐘Ramsey信號進行放大，增益等參數符合電路設計要求。

[1]翟造成，王慶華.發展我國的空間用高準確度原子鐘[J].宇航計測技術，2000，10（20）：17～20.

[2]肖東，邱家穩，張滌新，等.高純石墨對銫吸附性能的研究[J].真空與低溫，2009，15（2）:99～102.

[3]王義遒，王慶吉，傅濟時，等.量子頻標原理[M].北京:科學出版社，1986.

[4]鄧勇，劉琪，施文康.通用有源濾波器UAF42的CAD軟件—FILTER42[J].國外電子元器件，2001，11：44～46.

[5]陳學平，蘭帆，胡勇.Proteldxp2004電路設計與電路仿真[M].北京:清華大學出版社，2007.