微弱信號檢測的超低噪音寬帶放大器設(shè)計

秦正波+任羊弟+王輝

摘要：本文簡要報道了微型超低噪音寬帶快電荷靈敏前置放大器。該放大器主要采用高增益寬帶低噪音電壓反饋型集成運(yùn)放芯片OPA847，其低電壓輸入噪音低至0.85nV/Hz1/2， 帶寬高至3.9GHz。整個成本低至數(shù)百元，是同類型產(chǎn)品的1/10或更少，該前置放大器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，超高速，極低噪音，超高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該放大器能有效進(jìn)行微弱信號的放大和噪音的抑制，可廣泛應(yīng)用于普通物理實(shí)驗(yàn)的光電探測的前置放大，科研上也具有較可觀的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微弱信號檢測；前置放大器；超低噪音

中圖分類號：TN722 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1001-828X（2017）007-0-02

The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurement

QIN Zheng-bo，REN Yang-di，WANG Hui

（Department of Physics， Anhui Normal University， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： A miniature， ultra-low-noise， and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth， low-noise， voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan， which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple， compact， super-high speed， ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research.

Key words： weak signal detection； pre-amplifier； ultra-low-noise

引言

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的光電測量，光信息傳輸實(shí)驗(yàn)中的微弱信號檢測或者飛行時間質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)中的質(zhì)譜檢測，無論光譜測量中使用的光電倍增管[1]，還是質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)中使用的微通道板[2-3]，最終輸出的都是脈沖電子流，尤其是電子流具有瞬態(tài)性和高速性（10-9秒），而普通的低帶寬的放大器無法有效的進(jìn)行高速電子脈沖信號的放大，并且會造成時間積分上的拉寬，造成信號損失乃至丟失，最終可能不為采集裝置所采集，因此從檢測器上所獲得的微弱信號，需要經(jīng)過前置放大器進(jìn)行預(yù)放大才可以被瞬態(tài)采集卡或者示波器進(jìn)行信號采集及數(shù)據(jù)處理。由此可見，放大器的性能是影響脈沖信號質(zhì)量的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從頻譜分析可知，脈沖寬度與頻帶成反比，一般來說，通常的脈沖信號半峰寬從幾納秒左右到幾十納秒，其頻譜范圍可從直流到500MHz以上，因此為了盡可能減少信號放大引起的失真，真實(shí)地反映由檢測器所檢測到的脈沖信號，就要求這種前置預(yù)放大器具有足夠的帶寬，從而保證儀器整體的分辨率和精度不會因此而受到影響。

一、基本原理

基于上述微弱信號檢測特性的要求，所設(shè)計電路必須具備以下性能：（1）實(shí)現(xiàn)高帶寬的信號放大；（2）有效抑制噪音，具有低漂移特性。本工作研制了一款微弱信號超低噪音的寬帶放大器，可以實(shí)現(xiàn)高速脈沖信號的預(yù)放大。在這里，我們基于OPA847芯片，設(shè)計并測試了一款緊湊的微型超低噪音的放大器模塊，整個成本低至數(shù)百元，是同類型產(chǎn)品的1/10或更少，很適合普通物理實(shí)驗(yàn)或者研究性實(shí)驗(yàn)中自制的寬帶預(yù)放大器。目前國內(nèi)還未有300MHz以上的預(yù)放大器的市售產(chǎn)品，而進(jìn)口同性能預(yù)放大器的價格高至萬元以上。因此在本工作中將寬帶指標(biāo)定在300MHz，以滿足實(shí)驗(yàn)需求。其指標(biāo)為：總增益10倍左右，輸入阻抗50Ω，輸出阻抗50Ω，電源供給5V。根據(jù)設(shè)計要求的前置放大電路原理如圖1所示。

二、仿真和測試

采用OPA847芯片，其單位增益帶寬是3.9GHz，在增益系為12時的平均閉環(huán)帶寬為600MHz，壓擺率為950V/?s（轉(zhuǎn)換速率），脈沖建立時間為6ns（1%），等效輸入噪音電壓為0.85nV/Hz1/2，等效輸入噪音電流為2.5pA/Hz1/2。在本放大電路中，引入負(fù)反饋避免輸入量的變化及自身等原因引起的不穩(wěn)定性，從而保證放大器的穩(wěn)定運(yùn)行。而OPA847屬于電壓反饋型放大器，輸入輸出電阻電容的選取和信號端輸入輸出端匹配電阻的選取對放大器的質(zhì)量至關(guān)重要。因此需要對反饋電阻和輸入輸出頻率利用NI公司的仿真模擬軟件Multisim12反復(fù)進(jìn)行仿真測試[4-5]，選取一套合理的阻值和電容大小，仿真原理圖如圖2所示。

在圖2所示的同相比例電路中，選取560歐姆作為反饋電阻，其增益系數(shù)為G=1+R1/R2=12[6]。利用Multisim，同相輸入端加10mV、100MHz的微弱正弦波信號，進(jìn)行仿真可得輸入輸出端波形如圖3所示，從波形看輸入VPP=20mV，輸出VPP=230mV，輸出輸入比例為11.5，與理論分析得到的增益系數(shù)（12）相符?？梢姡A(yù)放大電路滿足設(shè)計要求。此外，帶寬是放大器的一項(xiàng)重要參數(shù)，如圖4所示，放大器在帶寬為5KHz～3GHz和輸入VPP=20mV的條件下進(jìn)行了增益測試，結(jié)果表明在增益系數(shù)接近12的條件下頻帶寬度為100K～200MHz。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對于OPA847芯片，其脈沖建立時間（1%）為6ns，這就決定了其高頻信號的最大帶寬不超過200MHz。但是對于低重復(fù)頻率的脈沖信號（本例輸入信號幅度為V=5mV，頻率為10KHz），由于相鄰脈沖間隔遠(yuǎn)大于OPA847芯片的脈沖建立時間，其工作帶寬可以擴(kuò)展至更高的頻帶范圍。如圖5的仿真結(jié)果所示，無論對于邊沿為1ns的還是10ns的方波脈沖信號，其放大系數(shù)均能穩(wěn)定在12倍，并且無明顯的失真。因此，對于低重復(fù)頻率高速脈沖信號（小于100MHz），本預(yù)放大器在增益為12的條件下工作帶寬可擴(kuò)展至500MHz。

噪音是預(yù)放大器的最重要的指標(biāo)之一，如何控制和降低噪音，是研制時最為重要和關(guān)注的問題。本工作主要采取兩方面措施：（1）選擇低噪音器件，設(shè)置合適的反饋電阻。如本工作中選取極低輸入噪音的運(yùn)放OPA847，其輸入噪音低至0.85nV/Hz1/2。（2）采用大面積敷銅電路板，保證對所有輸入、輸出、電源連接器實(shí)行良好的接地。所有的元件采用貼片形式，均勻分布，連線盡量短。這些考慮對降低電荷預(yù)放大器的噪音取得了明顯的效果。

整個電路板封裝在一個鋁制方盒中（67毫米×53毫米×12毫米），信號輸入和信號輸出采用射頻SMA接口，并直接固定在鋁盒側(cè)面，實(shí)物圖如圖6所示。經(jīng)過仿真模擬和測試，本工作所設(shè)計的預(yù)放大器帶寬可高至500MHz。實(shí)驗(yàn)中對溴氟苯的共振增強(qiáng)光子電離質(zhì)譜輸出信號進(jìn)行了測試，如圖7（a）所示未經(jīng)放大前的信號高度僅為～2mV，上升沿為10ns左右，經(jīng)過放大后的信號如圖7（b）所示，信號高度達(dá)到～30mV，信號增益為15，基本符合設(shè)計的增益指標(biāo)（12X）。更重要的是，高頻噪音得到抑制，圖7（b）基線更平滑，信噪比大大提高。由此可見，該放大器完全適用于噪音抑制和高頻微弱信號（納秒量級）的檢測。

三、結(jié)語

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于OPA847的超低噪音寬帶預(yù)放大器，對于高頻微弱脈沖信號，在增益為12的條件下頻寬范圍為100K～200MHz。如果選擇低重復(fù)頻率高速脈沖信號，本預(yù)放大器在增益為12的條件下工作帶寬可高至500MHz。其低價高性能特點(diǎn)適用于光電探測和質(zhì)譜檢測等應(yīng)用領(lǐng)域。

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通訊作者：秦正波（1983-），男，漢族，安徽蕪湖人，安徽師范大學(xué)物理系副教授，博士，主要從事普通物理實(shí)驗(yàn)和原子與分子光譜研究。

基金項(xiàng)目：國家自然基金（21503003，11674003和61475001）；安徽自然科學(xué)基金（1608085QA10）；安徽高校自然科學(xué)基金（KJ2015A032）；安徽省省級質(zhì)量工程項(xiàng)目。