大氣電場傳感器信號放大電路的噪聲分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

林 楚，陳曉寧，張海濤，顧超超

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

大氣電場傳感器信號放大電路的噪聲分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

林 楚，陳曉寧，張海濤，顧超超

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

為了解決大氣電場傳感器輸出信號噪聲大的問題，對一般電荷放大電路的噪聲模型進(jìn)行了深入研究，并且基于三維大氣電場傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了低噪聲信號放大電路；在萬用板上對所設(shè)計(jì)的信號放大電路進(jìn)行調(diào)試，通過替換電路中的積分電容，得到不同積分電容下傳感器軸向感應(yīng)電極的輸出電壓波形，并對輸出波形進(jìn)行對比分析，得到最理想的低噪聲信號放大電路設(shè)計(jì)方案。

大氣電場傳感器；噪聲模型；低噪聲信號放大電路

0 引言

大氣電場的探測對雷電預(yù)警，導(dǎo)彈、火箭、飛行器的安全發(fā)射具有非常重要的意義[1]，也是進(jìn)行大氣物理科學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。用于測量大氣電場強(qiáng)度的電荷感應(yīng)式[2]電場傳感器工作環(huán)境惡劣，需要承受低溫、潮濕、震蕩等惡劣大氣環(huán)境的影響；由于傳感器感應(yīng)到的有用信號較微弱，通常為微伏及以下量級的信號，對這種微小信號進(jìn)行傳輸和處理非常困難，因此需要設(shè)計(jì)噪聲系數(shù)很低的信號放大電路對傳感器采集的大氣電場信號進(jìn)行放大。

1 信號放大電路的噪聲模型

大氣電場傳感器的信號放大電路必須要采取反相輸入方式即反轉(zhuǎn)放大電路[6]，這是因?yàn)榇髿怆妶鰝鞲衅鞑捎闷帘螌?dǎo)體旋轉(zhuǎn)的方式交替暴露感應(yīng)電極，在感應(yīng)電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷發(fā)生周期性變化并生成感應(yīng)電流信號，而直接檢測該電流信號非常困難，需要經(jīng)過電荷放大電路將弱電流信號轉(zhuǎn)變成容易檢測的電壓信號，感應(yīng)電流信號流經(jīng)反饋電容把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電場傳感器的轉(zhuǎn)速和面積是周期性變化的，使用反轉(zhuǎn)放大電路能夠保證輸出電壓與電場成正比。而在非反轉(zhuǎn)放大電路中，傳感器輸出電流直接流入放大器的同相輸入端，無法把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。圖1為反轉(zhuǎn)放大電路的噪聲模型[7]。

圖1 反轉(zhuǎn)放大電路的噪聲模型

圖2 等效噪聲電路模型

把ef、en和in等噪聲源綜合在一起等效為一個電壓噪聲源ea和一個電流噪聲源ia，得到的等效噪聲電路模型如圖2所示。圖中K為電壓放大倍數(shù)，下面主要分析等效噪聲源ea和ia與原放大器噪聲源en和in的關(guān)系。分析的方法是，首先找出圖1中各噪聲源單獨(dú)作用的結(jié)果，然后把這些結(jié)果綜合起來得到總的輸出噪聲電壓[8]。

反饋支路的引入對等效輸入噪聲電壓沒有影響，只對等效輸入電流噪聲有影響，而且反饋電阻Rf越大，影響越小。因此在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時，為了減小噪聲，在選取電阻時，應(yīng)盡量選擇阻值大一點(diǎn)的反饋電阻，通常情況下選擇K歐姆級別的電阻。

在OP放大器的選型上，并不是說只要選用了低噪聲的OP放大器就能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲的前置放大器，而是需要通過實(shí)驗(yàn)測試獲得最合適的電路參數(shù)和最優(yōu)化的設(shè)計(jì)電路來實(shí)現(xiàn)。

2 三維電場傳感器的結(jié)構(gòu)

圖3 三維電場傳感器

三維電場傳感器基于導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理，利用接地屏蔽導(dǎo)體對感應(yīng)電極的交替屏蔽作用，使感應(yīng)電極交替暴露在外電場中，感應(yīng)電極上的感應(yīng)電荷發(fā)生周期性變化，形成了交變的電流信號，通過檢測電流信號的大小再設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號放大電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換就可以得到電場強(qiáng)度的值。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，由敏感結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)、外殼等組成。

傳感器的敏感部分主要是由軸向(Z)、徑向(X、Y)3個正交方向上的3對感應(yīng)電極和1個屏蔽轉(zhuǎn)子構(gòu)成，每對感應(yīng)電極構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，使得傳感器的輸出信號是每兩個對稱感應(yīng)電極感應(yīng)電荷變化的差值，避免了高空帶電粒子的干擾，使得傳感器的輸出信號與傳感器自身電位變化無關(guān)，并且與采用單感應(yīng)電極的傳感器相比，靈敏度提高了1倍。感應(yīng)電極之間以及感應(yīng)電極與其他部件之間都要使用絕緣材料進(jìn)行隔離，其中徑向(X、Y)感應(yīng)電極均是由帶有屏蔽層的矩形銅片組成，軸向(Z)感應(yīng)電極由一對交錯放置的旋葉片組成，屏蔽轉(zhuǎn)子由上表面的4個葉片狀孔和軸向側(cè)表面的2個1/4圓柱面組成，從而能夠?qū)θS方向上的感應(yīng)電極產(chǎn)生同步的交替屏蔽作用[9-10]。

傳感器工作時，電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸帶動屏蔽轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時對軸向(Z)及徑向(X、Y)感應(yīng)電極進(jìn)行交替性屏蔽，當(dāng)外界存在一定的電場強(qiáng)度時，感應(yīng)電極上的感應(yīng)電荷量Q發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流輸入到信號放大電路進(jìn)行處理。

3 信號放大電路設(shè)計(jì)

三維電場傳感器一共有6路感應(yīng)電流信號輸出，然而輸出的感應(yīng)電流信號非常微弱，通常是μA及以下量級的交變電流信號，直接檢測該電流信號非常困難，因此需要設(shè)計(jì)合理的信號放大電路對微弱信號進(jìn)行放大。根據(jù)低噪聲電荷放大電路的設(shè)計(jì)原理和三維大氣電場傳感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一維方向的一對感應(yīng)電極輸出電流信號的放大電路，如圖4所示，另外兩個方向的信號放大電路與該電路相同。放大電路采用兩級放大，第一級是反比例積分電荷放大電路，將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為放大的電壓信號，并且采用差分輸入方式，使得輸出信號與傳感器本身電位變化無關(guān)，噪聲相互抵消，電場的測量也不會受到高空帶電粒子的影響，大大提高了電路的抗擾度[11-12]。R2和C1共同構(gòu)成放大器輸出的反饋電路，為放大器的偏置電流提供泄放路徑。R1作為放大器的輸入電阻起到增強(qiáng)電路高頻響應(yīng)的作用，它的值不能過高也不能過低，過高會使電阻的熱噪聲增加，過低又會降低放大器電路的信噪比。增大C1的值能增強(qiáng)電路的低頻響應(yīng)，但同時也會降低增益和使系統(tǒng)的信噪比降低[13]。第二級是比例放大電路，該級放大的增益由電阻R3和R4決定，增益為R4/R3，合理選取R4與R3的比值，就可以得到相應(yīng)的電路放大倍數(shù)。兩級電路均選用低噪聲的高性能電荷放大器TL072。因此，合理選取電阻電容對于設(shè)計(jì)一個低噪聲的電荷放大電路至關(guān)重要。

圖4 低噪聲信號放大電路原理圖

由于在信號處理系統(tǒng)中采用了微處理器自帶的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)，AD轉(zhuǎn)換的滿量程為0～3.2 V，則其最小分辨率為：

(1)

根據(jù)傳感器感應(yīng)的信號幅值大小，將輸入信號放大到毫伏級就可以滿足后續(xù)AD對信號的采集要求[14-15]。因此，設(shè)定信號的放大倍數(shù)為2 400倍，設(shè)置第一級放大電路的增益為80倍，第二級放大電路的增益為30倍。

由于傳感器輸出信號是類似于正弦波的信號，對稱軸在0 V，而AD轉(zhuǎn)換在0～3.2 V的范圍內(nèi)才能對信號進(jìn)行有效采集，因此需要設(shè)置1.6 V的偏置電壓，將交流信號的對稱軸向上從0 V平移至1.6 V。

4 實(shí)驗(yàn)測試電路

為了測試設(shè)計(jì)電路的可行性，根據(jù)圖4所示的原理圖在萬用板上搭建放大電路測試系統(tǒng)。利用萬用板進(jìn)行測試可以減少元器件的損耗而且方便更換元件，便于檢測放大電路是否能夠達(dá)到預(yù)期的放大效果。前置放大電路主要通過改變積分電容來調(diào)節(jié)增益，第二級放大電路可以通過改變R4與R3的比值來調(diào)節(jié)增益，在測試過程中，信號源是設(shè)計(jì)制作的三維電場傳感器。三維電場傳感器三維方向的測量原理基本相同，因此僅對軸向感應(yīng)電極輸出信號進(jìn)行測試。

對于圖4所設(shè)計(jì)的電路，經(jīng)過上述因素的綜合考慮，選用的電阻、電容參數(shù)為R1=R6=10 kΩ，R2=R7=10 MΩ，C1=C3=1 nF，R3=R8=1 kΩ，R4=R5=30 kΩ，R9=100 Ω，積分電容C1和C3采用聚苯乙烯電容，輸出信號波形如圖5所示。

圖5 1 nF聚苯乙烯電容的輸出信號

用0.1 nF的聚苯乙烯電容替換C1和C3，其他參數(shù)不變，輸出信號波形如圖6所示。

圖6 0.1 nF聚苯乙烯電容的輸出信號

對比圖5和圖6，圖5輸出的電壓峰峰值為11 mV，圖6輸出的電壓峰峰值為25 mV，其噪聲較大且波形不對稱，因此，減小積分電容的值可以增大信號的增益，但會使得輸出信號的噪聲增大，系統(tǒng)的信噪比降低。

將0.1 nF的聚苯乙烯電容換成100 pF的獨(dú)石電容，其他參數(shù)不變，輸出信號波形如圖7所示。

圖7 0.1 nF獨(dú)石電容的輸出信號

對比圖6和圖7，圖7輸出的電壓峰峰值為15 mV，輸出電壓峰峰值比采用聚苯乙烯電容減小了10 mV，因此，其他參數(shù)不變的情況下，采用獨(dú)石材料的電容會使得輸出信號的增益減小且波形噪聲沒有得到明顯改善。

綜上所述，采用1 nF的聚苯乙烯電容可以達(dá)到理想的放大效果。

5 結(jié)論

本文對一般電荷放大電路的噪聲模型進(jìn)行深入研究，并且基于三維大氣電場傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了低噪聲信號放大電路，解決了大氣電場傳感器輸出信號噪聲大的問題。在萬用板上對設(shè)計(jì)的低噪聲電荷放大電路進(jìn)行測試，通過替換電路中積分電容，得到在不同參數(shù)和材料的電容情況下，傳感器軸向感應(yīng)電極的輸出電壓波形，從波形的對比分析可知：

(1)減小積分電容的值可以增大信號的增益，但會使輸出信號的噪聲增大，系統(tǒng)的信噪比降低。

(2)其他參數(shù)不變的情況下，采用獨(dú)石材料的電容可以使得輸出信號的增益減小。

本文所設(shè)計(jì)的低噪聲信號放大電路經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，可以對傳感器輸出微弱電流信號進(jìn)行放大并得到較為理想的電壓波形。

[1] 張星,白強(qiáng),夏善紅,等.小型三維電場傳感器設(shè)計(jì)與測試[J].電子與信息學(xué)報(bào),2007,29(4):1002-1004.

[2] 遠(yuǎn)坂俊昭.測量電子電路設(shè)計(jì)—模擬篇[M].彭軍，譯.北京:科學(xué)出版社,2015.

[3] 何崢嶸. 運(yùn)算放大器電路的噪聲分析和設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2006,36(2):148-153.

[4] 董俊宏，王瑛劍，李小珉.集成運(yùn)放放大電路的噪聲分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(2):41:43.

[5] 曾麗娟,冀永克,袁平,等.低功耗低噪聲CMOS放大器設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,34(8):47-49.

[6] 馬場清太郎.運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M]. 何希才,譯.北京:科學(xué)出版社,2007.

[7] 王寧章,高雅,寧吉,等.3 GHz～5 GHz超寬帶噪聲系數(shù)穩(wěn)定的低噪聲放大器[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(7):31-34.

[8] 張學(xué)軍,溫?zé)?腦電信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2016,35(10):55-57.

[9] 殷紅彩.壓電加速度傳感器測量電路的研制[D]. 合肥:安徽大學(xué),2007.

[10] IYER M K, BUSHNELL M L.Effect of noise on analog circuit testing[J]. Journal of Electronic Testing: Theory and Applications,1999,15(1-2):11-22.

[11] Hao Yue, Yao Lizhen. Design and analysis of integrated operational amplifier XD1531 with low noise at low frequencies[J]. Journal of Electronics, 1989,6(4):299-305.

[12] 張凱,孔力,周凱波,等.一種核磁共振測井儀前置放大器的研制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2007,29(4):60-62.

[13] LEE W T, LEE J, JEONG J. Design of variable gain low noise amplifier using feedback circuit with memory circuits for 5.2 GHz band[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2011,68(1):43-50.

[14] 周凱波,李丹,湯天知,等.核磁共振測井儀前置放大電路的低噪聲分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(1):91-94.

[15] 李季芬. 三維流速傳感器信號調(diào)理電路的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

Noise analysis and optimization design of atmospheric electric field sensor signal amplification circuit

Lin Chu, Chen Xiaoning, Zhang Haitao, Gu Chaochao

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

In order to solve the problem of the large output signal noise of atmospheric electric field sensor, this paper conducted the further research for the general noise model of the charge amplifier circuit, and based on the structure of the three-dimensional atmospheric electric field sensor designed a low noise amplifier circuit. Debugging the signal amplifying circuit on the universal board, by replacing the integral capacity of the circuit to get the output voltage waveform of the sensing electrode on the conditions of the different integral capacity. Besides, the output waveform was compared and analyzed, and the ideal design scheme of the low noise signal amplifying circuit was obtained.

atmospheric electric field sensor; noise model; low noise signal amplifying circuit

TM937

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.009

林楚，陳曉寧，張海濤，等.大氣電場傳感器信號放大電路的噪聲分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(23)：31-34.

2017-06-02)

林楚(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：軍用電源及電氣防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)理論與技術(shù)。

陳曉寧(1963-)，通信作者，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：軍用電源及電氣防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)理論與技術(shù)。E-mail：angel_xixi@sina.com。