射頻輻射抗擾環境中微弱信號放大電路的設計與驗證

李澍，趙東杰，蘇宗文

1.中國食品藥品檢定研究院 醫療器械檢定所，北京 100050；

2.北京物資學院 北京高校物流技術工程研究中心，北京 101149

射頻輻射抗擾環境中微弱信號放大電路的設計與驗證

李澍1，趙東杰2，蘇宗文1

1.中國食品藥品檢定研究院 醫療器械檢定所，北京 100050；

2.北京物資學院 北京高校物流技術工程研究中心，北京 101149

本文闡述了射頻輻射抗擾環境中微弱信號放大電路的設計過程、實現方法以及驗證過程，并總結了優化電路性能的關鍵點。測試結果表明，該電路具有較好的抗擾度，可輔助醫療器械實現遠程測量。

輻射抗擾；信號放大電路；噪聲水平；電壓漂移；線性范圍

目前醫療器械電磁兼容檢測過程中，絕大部分用于測試器械性能和安全的輔助設備（如監控傳感器、溫度傳感器）的設計過程中并沒有考慮電磁兼容性。同時，試驗發現，即使采用金屬屏蔽、接地等措施將輔助設備隔離，但由于屏蔽的不完整性以及輻射設備本身的連接導線，仍會有相當程度的干擾施加到輔助設備上。如果輔助設備的抗擾度很差，那么將無從判斷受試設備在施加干擾時的性能[1]。

通過提升輔助設備的抗擾度的措施是理想但不切實際的，因為醫療器械的檢測設備眾多，且都較為精密，有些設備從原理上就決定了其無法耐受較強的電磁輻射。一個合適的替代解決方式是盡可能地將輔助設備的主體部分放置至電磁暗室外部，在暗室內部僅保留輔助設備的探測器（傳感器）部分；并通過合適的手段將探測器輸出的微弱電信號經長距離傳輸至暗室外。由于電磁暗室是一個絕對受控的電磁環境，與外界通信一般都采取光纖或者波導管的形式（圖1）[2]。

由圖1可知，實現傳感器遠距離測量的核心是設計合理的信號放大電路。本文主要研究射頻輻射抗擾條件下的微弱信號放大電路，同時總結電路板低噪聲設計的要點。

1 設計過程

1.1 設計原理及設計框架

對于微弱信號檢測，通常要用多級放大器級聯才能完成信號轉換與放大任務[3-4]。前置放大是離子電流放大的第一級，也是引入噪聲的主要環節之一。根據弗里斯公式[4]，級聯放大電路的總噪聲系數F可表示為：

各級放大器的噪聲系數分別為：F1，F2，…，FM；功率增益分別為K1，K2，…，KM。如果第一級增益K1足夠大，則系統的總噪聲系數主要取決于第一級噪聲系數F1。在設計用于微弱信號檢測的低噪聲放大電路時，必須保證第一級的噪聲系數足夠小，因此器件選擇和反饋電路設計至關重要[5]。同時，由于放大電路的固有噪聲以及外界干擾往往比需要測量的有用信號幅值高1～2個數量級[6]，只靠單純的信號放大是不能把微弱信號檢測出來的，只有在有效的輸入屏蔽條件下同時增大微弱信號的放大倍數，才能提取出有用信號[7]。

根據以上思路，本設計采取二級放大加濾波的模式。第一級采取前置放大電路，使用輸入偏置電流極低的高增益運放進行I/V變換，同時在輸入端使用電流井進行輸入信號的屏蔽保護；第二級使用一個低噪電壓運放進行微弱信號的放大，并配合使用二階低通濾波電路濾除系統噪聲。整體電路通過內屏蔽層和外屏蔽層實現對外部干擾的有效屏蔽?？傮w設計方案框圖，見圖2。

1.2 實現方法

按照總體框架，設計的微弱信號放大電路圖，見圖3。

1.2.1 前置放大電路（I/V轉換）

對于微弱信號放大電路來說，前置放大器實質上是一個“電流/電壓”（I/V）轉換器，可將微弱的電流信號轉換為電壓信號，在運放反相端和輸出端跨接一個反饋電阻，使離子電流流過跨阻輸出電壓，反饋電阻值越大信噪比越高。但是反饋電阻過大將引入很強的噪聲（如工頻噪聲、射頻噪聲），極大地影響電路的精度和穩定性；其次，反饋電阻大，要求運放的輸入阻抗更大，否則就會產生分流，從而增大了輸偏置電流，造成輸出電壓下降。

本設計（圖3中I/V轉換部分）采用T型電阻網絡方法，通過將3個小電阻（R1、R2、R3）等效為一個較大的等效電阻，有效地降低噪聲；為了進一步減小從輸入端耦合的干擾噪聲，在T型電阻網絡兩端并聯一電容C1，形成一RC低通濾波。RC濾波可限制運放的閉環帶寬，降低高頻噪聲，并且可利用電容C1進行相位補償，抑制噪聲增益曲線的峰值。核心放大器的選擇要求是：輸入偏置電流、輸入失調電流及輸入失調電壓小；噪聲??；共模抑制比大；輸入阻抗大；溫度漂移小。高精度運算放大器OPA129UB可以滿足此要求。

前置放大電路的輸出電壓為：

由于R1?R3，電路的增益主要由R1和R3/R2來確定。通過調節R3/R2的比值可以得到需要的放大倍數，保證系統反饋電阻的等效阻值較大，避免直接使用大電阻帶來的負面影響。

反饋電阻的阻值選擇是增益和帶寬妥協的結果。反饋電阻越大，信號帶寬越窄，信號畸變的可能性就越大；同時反饋電阻也影響著C1的取值，反饋電阻越大，電容值越小，其就越敏感，電容值的微小變化對系統輸出影響較大，可增加系統的不確定性，造成電路的重復性較差。在反饋電阻類型的選擇上，為了降低1/f噪聲和提高電路精度，選用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。電容選擇低噪聲的云母電容。綜合以上因素，電路參數設定為：R1=100 MΩ，R2=10 kΩ，R3=2 kΩ，C1= 0.5 pF。

1.2.2 二級放大電路

前置放大通常由于運放帶寬的限制，放大倍數不夠，并且前置運放的帶載能力低，所以需要對信號進行二級放大（圖3中電壓放大部分）。

前置電路的電流電壓轉換關系為：

當輸入電流為1 pA時，輸出電壓僅為600 μV。微伏級的信號信噪比一般很低，輸入級選擇不當會使噪聲將信號完全湮沒，因此要求放大器具有高的共模抑制比、極低的輸入噪聲。

二級放大電路選用低噪高速運放LT1028，主要性能參數如下：輸入失調電壓最大為40 μV；電壓噪聲在1 kHz處最大為1.1 nV/；轉換速率為11 V/μs；增益帶寬乘積為50 MHz。

參照公式(3)，二級放大電路輸出電壓為：

因此信號調理電路總增益為7.2×1010V/A。

1.2.3 Sallen-Key二階低通濾波電路

由于傳感器轉化信號非常微弱，射頻干擾源一旦耦合到檢測電路，將對檢測信號產生嚴重影響。同時，射頻電磁場抗擾度試驗中，幅度調制頻率為1 kHz或者2 kHz，且傳感器輸出頻率基本＜50 Hz，主要噪聲頻率均＞50 Hz，因此首先考慮使用低通濾波的方法來克服噪聲的不利影響，提高信號的信噪比。目前，最常用的是RC有源模擬濾波器，由運放、電阻和電容構成，結構簡單、成本低。使用Sallen-Key結構的二階低通濾波電路可有效降低噪聲水平，同時可有效抑制噪聲干擾。

使用Ti公司的FilterPro3.0完成結構與參數設計。巴特沃茲二階濾波器通過Sallen-Key結構實現，濾波器的截止頻率為：f=，可見，當R7=R8=R，濾波器的截止頻率主要取決于C3、C4的值，因此根據FilterPro的設計結果，將C4取0.1 uF，C3在0.2 uF附近取值，能夠最大程度地降低噪聲，提高信噪比。

1.2.4 電路性能優化考慮

原理圖設計完成后，印制電路板（PCB）布局也是提高微弱信號放大電路性能的關鍵因素。為了提高測量微弱電流的精度和準確度，本設計需要注意：① 采用絕緣強度高、漏電流小的印刷電路板-環氧玻璃板；② I/V轉換部分的工作電流最后要經地線流回電源，避免其他單元較大的電流在I/V轉換部分的接地點之間產生較大電位差；③ I/V轉換部分的運算放大器及其外接阻容件應就近安放，各接地點應盡量靠近；④ 運算放大器及其周圍應大面積敷銅，并與電源單點接地；運算放大器的反相和同相入端應用接地屏蔽環將其包圍起來，使二者等電位，保證他們之間不產生漏電流。

同時，微弱電流輸入信號線應采用高絕緣、低噪聲的屏蔽電纜線；屏蔽電纜的屏蔽層要單端接地，輸入信號電纜應盡量遠離電源線并且要盡量短；輸入信號電纜應盡量避免振動、扭曲等機械變形，防止因壓電效應和摩擦生電效應而產生干擾。電路板焊好后，用無水乙醇進行超聲清洗以處理殘留雜質及金屬屑，然后再做干燥防潮處理。然后進行全部密封處理，尤其是反饋電阻更應密封、防潮、防光照、防電磁干擾，為此將整個微弱電流放大器用鋁合金盒屏蔽起來，通過SMA插頭連接輸入與輸出信號。通過上述的降噪處理，可以降低系統噪聲。

2 測試驗證

2.1 噪聲水平

測試不同工作條件下的信號調理電路輸出噪聲水平。圖4分別為關閉射頻電場和射頻電場分別為3 V/m、10 V/m時，系統輸出信號的白噪聲水平。由圖可見，隨著射頻電壓的升高，系統噪聲有一定升高。這說明射頻電場是系統的主要噪聲來源，其既可能通過傳感器電路內部耦合進檢測電極，又可能通過空間電磁輻射對檢測電路產生干擾[8]。

利用有效值（Root Mean Square，RMS）評估噪聲水平[9]。計算出3個圖譜的噪聲RMS分別為：0.74 mV、0.81 mV、1.8 mV。通常使用6.6倍有效值定義噪聲峰值，因為其出現的時間概率＜0.1%，則3個圖譜的噪聲峰值別為：4.8 mV、5.3 mV、11.8 mV。由此可知，盡管噪聲水平隨射頻場幅度的增加而增大，傳感器信號的噪聲峰值仍被控制在12 mV以內。

2.2 電壓漂移和線性范圍

測試信號放大電路長時間下（24 h）的電壓漂移，輸出電壓漂移僅為+0.5 mV，穩定度較高。微電流放大器輸出的線性范圍，見表1。可以看出，線性范圍能夠達到3個數量級（R2=99.4%），能滿足高精確度測量的要求。

3 結論

在電磁兼容抗擾度試驗中，會有大量干擾施加到輔助設備上，如果輔助設備的抗擾度差，就會導致測量結果不準確，那么將無從判斷受試設備在施加干擾時的性能。通過使用信號放大電路，從而實現信號的遠程測量，是解決上述問題的一個有效手段。

筆者設計的微弱信號放大電路的測試精度可控制在±0.1 pA，線性量程能達到3個數量級，平均在24 h內的電壓漂移量≤0.5 mV，測試精度及穩定性可用于傳感信號的放大測量；采用鋰電池對系統進行供電，既免除了電源紋波的影響，也使得電路使用更加便攜化；通過兩層屏蔽，使得該電路針對射頻輻射抗擾具有較好的抗擾度，可輔助設備實現遠程測量。

[1] 李澍,李佳戈,蘇宗文.醫療器械電磁兼容標準解析[J].中國醫療設備,2014,29(2):14-17,79.

[2] GB/T 17626.3-2006,電磁兼容試驗和測量技術射頻電磁場輻射抗擾度試驗[S].北京:中國標準出版社,2006.

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[4] 肖貴賢.用于氣壓測量的微弱信號檢測電路[J].醫療裝備,2010, 23(3):13-14.

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[6] 嚴福興.極微弱光電流測量電路的設計[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2006,28(11):114-116.

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[8] 于維佳.便攜式多參數醫學信號處理器的研制[D].廣州:中山大學,2008.

[9] 胡誕康.微弱信號的測量[J].電子質量,2005,(5):1-4.

Design and Validation of Amplif i cation Circuit for Weak Signals in Radiofrequency Radiation Immunity Environment

LI Shu1, ZHAO Dong-jie2, SU Zong-wen1
1.Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China;
2.Research Center of Logistics Technology Engineering for Universities in Beijing, Beijing Wuzi University, Beijing 101149, China

This paper introduced the design process, implementation methods and validation process of an amplification circuit for weak signals in radiofrequency radiation immunity environment, and summarized key points of improving the circuit performance. The validation results showed that the circuit with favourable noise immunity will be of assistance to the remote measurement of medical equipment.

radiation immunity; signal amplif i cation circuit; noise level; voltage drift; linearity range

TN03

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.09.040

1674-1633(2014)09-0109-03

2014-07-25

2014-08-01

國家科技支撐計劃課題（2012BAI22B04）；北京高校物流技術工程研究中心項目資助（BJLE2010）；北京物資學院青年科研基金項目資助（2014XJQN15）。

蘇宗文，高級工程師。

作者郵箱：ooszwoo@126.com