基于JFET的低噪聲感應式磁傳感器設計*

李 珉, 柏逢明

(1.長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春 130022;2.長春工業大學 人文信息學院，吉林 長春 130122)

0 引 言

航空瞬變電磁(TEM)[1，2]測量是一種有效的資源勘查方法，廣泛應用于礦產勘查、石油勘探、地下水勘查等方面。航空TEM可分成發射、接收、數據解釋幾個部分。感應式磁傳感器(IMS)[3～5]作為整個接收機的前端用來接收微弱的TEM信號，并將該信號轉換成電壓信號，傳遞給后級放大器放大。IMS包括：空心線圈和前置放大器兩部分。空心線圈[6～8]將獲取的磁場信號轉換成電壓信號；前置放大器將電壓信號進行低噪聲放大。前置放大器是整個接收系統的最前端，對信噪比的影響最大，其性能的好壞直接影響接收機的性能，尤其是接收機的靈敏度。因此，二者的設計和制作水平影響傳感器的整體指標。

本文提出了基于結型場效應晶體管(JFET)的前置放大器電路來替代原有的差分放大器的方法。分析了該方法對傳感器帶寬和噪聲的影響，給出了傳感器的頻率特性，通過與3D—3傳感器對比，該傳感器信噪比提高了10.04 dB，帶寬增加了1倍,并證實了JFET方式下傳感器頻域特性的低噪聲特性滿足TEM的工作要求。

1 IMS設計

IMS作為航空TEM接收機的前端用來接收微弱的TEM信號，并將該信號轉換成電壓信號，由空心線圈和前置放大電路兩部分組成，其結構圖如圖1所示。

圖1 IMS結構圖

從圖1中可以看出，空心線圈被繞制在木質或尼龍的骨架上，通常為偶數段繞制結構，空心線圈的直徑和匝數等參數根據實際需求而選擇。根據法拉第電磁感應定理，空心線圈將微弱的TEM信號換成電壓信號，傳遞給前置放大器進行低噪聲放大，最后輸出給采集系統進行處理。

1.1 空心線圈模型分析

空心線圈傳感器可以等效為電阻、電感、電容混合的二階系統模型，其等效電路如圖2。

圖2 空心線圈的等效電路

圖2中r為空心線圈的直流電阻，L表示空心線圈的電感，C為空心線圈的分布電容，RT為空心線圈的匹配電阻,er為空心線圈內阻產生的噪聲，eRT為匹配電阻產生的噪聲。

1.2 空心線圈噪聲分析

空心線圈的主要噪聲源為：線圈內阻的熱噪聲和匹配電阻產生的噪聲。

線圈內阻產生的熱噪聲er為

er=4kTBr.

(1)

其中，r為空心線圈的直流電阻;B為空心線圈的帶寬;T為模型中電阻的絕對溫度，K;k為玻耳茲曼常數，k=1.380 650 5×10-23J/K。

匹配電阻產生的噪聲eRT為

eRT=4kTBRT.

(2)

其中，RT為匹配電阻阻值。

空心線圈的總噪聲En為

(3)

由于空心線圈內阻很小,基本為幾十歐姆，而空心線圈的匹配電阻很大,為幾十甚至上百千歐姆級，所以，匹配電阻的熱噪聲為空心線圈的主要噪聲源。在空心線圈設計和與放大器匹配時，都應該考慮到匹配電阻的取值問題。

1.3 前置放大電路模型分析

傳統的前置放大器采用集成運放構成放大器，本文設計的前置放大器前級采用JFET作為放大器的前級來降低前置放大電路的噪聲,如圖3所示。

圖3 前置放大器的電路

圖3中,es為電路的電動勢，ZS為電路的輸入阻抗,Rb為JFET管的偏置電阻,Z1為負載阻抗,Cin為放大電路的輸入電容,Cgd為柵極—漏極間電容。

1.4 前置放大電路噪聲分析

采用JFET的前置放大器的等效噪聲電路模型如圖4所示。

圖4 前置放大器的噪聲等效電路

圖4中前置放大電路噪聲由等效輸入電壓噪聲en和輸入電流噪聲in構成。

等效輸入電壓噪聲en為

(4)

JFET管的1/f噪聲根據場效應管的型號的不同其值也不同，現代的場效應管的1/f噪聲一般是指50～100 Hz頻率以下的低頻噪聲。

電流噪聲in輸入JFET產生的電壓噪聲vn為

(5)

式中q為電子電荷，q=1.6×10-19C，IG為流過某一結區域的電流，B為帶寬，Cs為信號源電容值。

電路的輸出電壓總噪聲Vo

(6)

2 感應式磁傳感器制作

空心線圈被繞制在一個直徑為0.5 m的木制骨架上，分2段繞制，每段有14層，每層10匝，總數為280匝，主要參數由表1所示。

表1 空心線圈主要參數

前置放大器采用JFET來降低噪聲，其參數為gfs=1.2 mS,B=42 kHz,T=297 K,Rb=100 kΩ,Cs=1000 pF,Cin=27 pF,IG=10-12A,Zl=Rl=10 kΩ,Cgd=2 pF,Cgs=5 pF,G=10。

上述的幾種噪聲源測試結果如圖5所示。

圖5 幾種噪聲源測試結果

從圖5中可以看出：在200 Hz以下，en1占主導地位，200 Hz以后vn占主導地位，40 kHz以后en1又占主導地位，en3在1 kHz以后開始降低，并對輸出噪聲貢獻不大，en2,er和eRT相比均可以忽略。在IMS的有效頻帶內起主導作用的是en1,en2和vn。因此，在滿足實際應用條件下，選擇選擇合適的參數來降低IMS的輸入噪聲。

3 IMS性能測試

由于市區內存在很強的工頻或者其他干擾，而IMS對輸入噪聲要求較高，為了準確測量放大器的輸入噪聲，要求測試環境干擾信號比較微弱，因此,測試在電磁屏蔽室內進行。

3.1 IMS響應頻帶測試

IMS響應頻帶帶寬需要通過實際探測深度來決定，而航空TEM—IMS的3 dB帶寬要求在45 kHz。根據第二部分的IMS實際制作參數，其響應頻帶如圖6所示。

圖6 IMS響應頻帶

考慮到空心線圈與后級前置放大器級聯后整體帶寬會降低，因此,IMS響應頻帶應在42 kHz左右。該IMS的參數能夠保證在有效的頻帶內有足夠的增益穩定性。

3.2 感應式磁傳感器輸入噪聲測試

對IMS的輸入噪聲進行測試，結果如圖7所示。

圖7 IMS輸入噪聲

通過對IMS的輸入噪聲特性分析，可以得出其輸入噪聲在3 kHz以下都為1 nV/Hz1/2，3 kHz以后逐漸增大。在10 kHz處，輸入噪聲為2 nV/Hz1/2。

3.3 性能參數對比測試

采用自主研制的IMS與加拿大Geonics公司的3D—3傳感器進行了對比實驗。采用Agilent 35670A動態信號分析儀分別對兩種方式下噪聲均方根值進行測量。圖8給出了兩種IMS輸入噪聲實測值。

圖8 兩種IMS輸入噪聲對比

從圖8中可以看出:在自主研制的IMS與加拿大Geo-nics公司的3D—3傳感器對比，自主研制的IMS輸入噪聲更小，驗證了其噪聲特性的正確性。

4 結 論

本文在理論分析IMS的物理結構、等效模型和噪聲特性的基礎上，設計了基于JFET的一種低噪聲IMS。通過在屏蔽室內對所研制的IMS性能進行測試，結果表明:

其3 dB響應帶寬達到42 kHz，輸入噪聲為 nV/Hz1/2@10 kHz，較磁傳感器3D—3信噪比提高了10.04 dB，解決了其他IMS因噪聲過大而影響探測結果的問題，滿足TEM大深度探測的需要。

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