增益可控低噪聲前置放大器設計

趙德春+王露+白寶平+皮喜田

摘 要： 設計一種具有溫度補償、增益可控的低噪聲前置放大器。該放大器采用級聯放大，每一級通過繼電器改變信號通路，從而達到控制增益的目的。在放大器的設計中采用噪聲抑制和溫度補償技術，并對原電路使用閉環控制進行優化，既實現了增益可調，增益控制范圍為10～60 dB，又保證了良好的增益平坦度和優秀的噪聲抑制能力。通過仿真和實際電路波形測試，表明該放大器僅有9 μV/℃溫度漂移和等效輸入噪聲電壓，總諧波失真小于1.2%，能放大μV級DC～50 MHz帶寬信號。

關鍵詞： 前置放大器； 溫度補償； 級聯放大； 噪聲抑制

中圖分類號： TN722.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）24?0137?04

Abstract： A low?noise pre?amplifier with temperature compensation and controllable gain was designed. The cascade amplification mode is adopted in the amplifier. The signal channel is changed by means of the relay in each cascade stage to control the gain. The noise suppression and temperature compensation technologies are used in the design of the amplifier. The closed?loop control method is utilized to optimize the original circuit， which can realize the gain adjustability （the gain controlled range is 10～60 dB）， and ensure the perfect gain flatness and excellent noise suppression ability. The results of simulation and practical circuit waveform testing show that the amplifier only has the temperature drift of 9 μV/℃， the equivalent input noise voltage of and the total harmonic distortion of less than 1.2%， and can amplify the DC～50 MHz bandwidth signal in μV stage.

Keywords： pre?amplifier； temperature compensation； cascade amplification； noise suppression

0 引 言

前置放大器實質上是一個小信號放大器，常常用于放大微弱信號[1]，由于微弱信號難于檢測和易受干擾的特性，因此前置放大器必須具有低噪聲、強抗干擾、增益穩定的特性[2]。隨著電子技術的集成化發展，越來越多的電路設計采用運算放大器[3]?；诩蛇\放的電路設計比基于分立元件的設計具有更加簡潔，更強抗干擾能力，便于調試的特點[4]。傳統的信號放大電路噪聲較大，增益小且多為定值，無法抑制溫度漂移，本設計不僅具有優秀的噪聲抑制能力和溫度補償功能，而且增益可由手動開關或I/O口控制，實現了10～60 dB范圍增益調節。

1 噪聲優化

系統總體設計框圖如圖1所示。在前置放大器電路中，噪聲主要由運放失調電壓、失調電流、溫度漂移、電阻熱噪聲等因素產生[5]。因此本設計在傳統放大電路的基礎上，增加了調零電路和溫漂抑制電路，減少了噪聲對信號干擾，提高信號傳輸過程中的信噪比[6]。

1.1 電流噪聲優化

運放的電流噪聲主要是由輸入偏置電流和輸入失調電流引起[7]，如圖2所示。

輸入偏置電流和輸入失調電流分別為：

將電路的有源輸入都置為零的話，則利用疊加定理可得：

由式（3）可見，雖然沒有任何輸入，但電路仍產生了直流噪聲，假設：

那么就可以消除輸入偏置電流引起的誤差，最后可得：

式中，通過縮小運放外圍電阻可以進一步降低，因此，運放外圍電阻不宜過大，一般在幾十到數百歐姆范圍內選取。

1.2 電壓噪聲優化

當運算放大器輸入端短接時，為了使，加在輸入端的電壓稱為輸入失調電壓，如圖2所示，由輸入失調電壓引入的輸出誤差為：

為此，本設計采用如圖3所示的失調電壓調零電路。

在調零電路中，通過調零電位器W2和W1，調節的值使得與相抵消。

1.3 溫度補償電路設計

由于溫度變化，運放產生的溫度漂移會在電路中產生失調電壓[8?9]，尤其是對于多級放大的前置放大器，每一級因溫漂產生的誤差都會被后級電路放大，對信號造成嚴重干擾。因此，為了抑制溫度漂移帶來的噪聲，本設計采取了如圖4所示的溫漂補償電路。

在電路中，U1與U3是相同的運放，U1是一個電壓跟隨器，當溫度變化時，U1產生的電壓噪聲經過反向放大器AD706反向放大后接入U3的同向端，補償U3及后續電路因溫度漂移產生的誤差，AD706單元本身是一個低通濾波器，會將信號帶寬以外的高頻噪聲濾除，保證接入U3的只是因溫度漂移產生的誤差信號，且AD706在0～70 ℃都具有極低溫度漂移，避免了由AD706引入額外的噪聲。

2 增益控制電路設計

通過繼電器選擇不同信號通路來達到控制增益的目的。在前置放大器中，一共有6級放大，每級增益0或10 dB，為了減小誤差，第一級放大級設置為固定增益10 dB，因此前置放大器的增益變化范圍是10～60 dB。前置放大器增益控制原理如圖5所示。圖5為前置放大器增益控制原理圖。該前置放大器增益通過手動開關或I/O口控制。手動控制開關和方式選擇開關一起組成單刀多擲的增益開關。當增益開關撥到1時，3?8譯碼器使能，此時可通過I/O口控制放大器增益，此時的增益調整范圍為10～60 dB。增益開關撥到2～6 時，增益分別為20 dB，30 dB，…，60 dB。

3 電路改進

由于電阻熱噪聲，過程的變化以及電源波動等[10]，即使采用了溫漂補償和噪聲優化，信號仍然會出現不同程度的失真，增益精度較差，電路仿真波形如圖6所示。

圖6描述了當輸入為100 kHz，1 mV的正弦波信號時整個電路的輸出波形。為此對原有電路設計進行了改進，對整個放大電路加入了反饋回路，圖7為改進后的電路結構示意圖。

式中，為第n個放大節點引入的噪聲，在傳輸過程中會和前一級傳輸來的信號一起被放大。若沒有負反饋，則該噪聲在輸出信號中的值為，引入負反饋后，～受到從輸入到干擾本身進入點之間所具有的正向增益的衰減，在輸出信號中的值為，而的值大于1，因此通過引入反饋回路，電路噪聲得到有效抑制。

整放大器增益。當增益開關撥到1檔，同時讓譯碼器的輸出全為零時，此時圖8中的第一級 放大器的放大倍數α為一固定值，適當調整電位器W6，從而調整反饋系數β的值，將總增益A精確調整至10 dB。同理，當增益開關撥到2檔時，調整電位器W1將增益調至20 dB，這樣依次調整電位器W2，W3，W4和W5，保證每檔的增益依次為10 dB，20 dB，30 dB，40 dB，50 dB，60 dB。加入反饋回路后，既增強了電路噪聲抑制能力，又保證了信號增益精度和平坦度。改進后電路結構示意圖如圖8所示。圖9是改進后不同增益和不同頻率下信號仿真波形。

通過示波器、頻譜分析儀和諧波分析儀進行電路實際測驗，結果顯示實測波形穩定性好、噪聲小，無明顯失真。圖10為改進后放大器實物和實測波形。

由實際測量參數得知，前置放大器輸出波形與改進后電路仿真結果吻合，各項參數均達到了預定指標。

4 結 語

本文從放大器基本原理出發，詳細闡述了增益可控低噪聲前置放大器的設計原理和設計方法。

設計的前置放大器溫漂僅為9 μV/℃，增益調節范圍為10～60 dB，工作帶寬為0～50 MHz，增益最大時的等效輸入電壓噪聲和電流噪聲分別為10 nV/和6.0 pA/，總諧波失真小于1.2%，增益精度在0.3 dB以內，具有良好的性能指標，適用于低噪聲寬帶寬高增益微弱信號的放大。

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