基于斩波技术的低噪声前置放大器研究_云震.pdf

中国电工网基于斩波技术的低噪声前置放大器研究云震，吴永鹏（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口 ；南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江），广东 湛江 ）摘要：磁传感器（）是频率域电磁法（）中使用最广泛的磁传感器，通常由感应线圈和前置放大器组成。为了增加 探测深度和微弱磁场信号的能力，基于磁通负反馈技术，获得了低频段平坦的灵敏度曲线，拓宽了观测频带。采用斩波前置放大技术，降低了噪声对 的影响，对 的输出噪声进行了压制。通过在屏蔽室内对所研制的 性能进行测试，表明其频带范围为 ，输入噪声为 ，为实际项目应用提供了可靠的性能保障。关键词：磁传感器；磁通负反馈；斩波前置放大；噪声中图分类号：，（，（），；（），）：（）（），：；收稿日期：作者简介：云震（），研究方向为工程管理、计算机应用与科学；吴永鹏（），硕士研究生，研究方向为海洋工程、海洋仪器自动化。引言在工程地球物理探测仪器中，感应式磁传感器的感应信号非常微弱，一般在纳伏级，因此与之相连的前置放大电路的噪声大小直接决定了传感器可检测到的最低信号水平。实际应用中，在较高的频带范围（几百 以上）内，一般有性能优异的超低噪声集成运算放大器可供选择（如 ，）；然而，当信号频率较低（小于）时，运算放大器噪声的存在，使其不再满足要求。本文提出的斩波前置放大电路利用信号调制和解调原理，通过频带的搬移，将信号与噪声分离，能很好地抑制噪声，从而具有更低的低频噪声，因此对低频信号进行放大时，一般选用斩波放大结构。目前最好的集成斩波放大器为 公司的集成斩波放大器 ，输入噪声水平为 ，但在对一些微弱低频信号进行放大时，噪声还是不能满足要求，因此必须自主采用分立器件搭建超低噪声斩波放大电路。斩波放大分析 斩波放大基本原理斩波放大是对低频信号放大常采用的一种信号处理结构，原理如图所示。图 1 斩波放大原理图CHOP1(fk)V1(fk)Vi(f)K1ee1V2(fk)e2V3(f)K2CHOP2(fk)LPFVoutG输入信号经调制开关 调制成载波信号，频率为斩波频率，放大器噪声、调制信号放大倍，输出为、，这样噪声、输入信号在频带上互不影响。经过解调级后，输出信号 被重新解调到电工技术理论研究2023 1期 输入信号频率上，而放大器输入噪声被调制到斩波频率上，然后经过低通滤波器 后，运算放大器噪声被滤掉，得到输出信号。斩波时域分析假设输入信号频率为 ，斩波频率为 ，如图所示。图 2 输入信号/斩波信号时间 t/s调制、解调信号、是周期为的方波信号，其函数式为：（），（）（），（）经过 调制，输出高频信号。调制实际是 与相乘的过程，在时间内，取输入信号，在时间内，取的反相信号，故应为一包络信号，使用 软件进行仿真，仿真结果如图所示。图 3 调制信号时间 t/s经过放大倍输出，再经 解调。同调制类似，经解调，实际也是与 相乘的过程，在时间内，取信 号，在时间内，取的反相信号，这就相当于在时间内，取了两次的反相信号，又恢复为与相同的相位，而在 时间内，一直与信号相位相同，故在整个斩波周期内（），的相位与一致，只是中夹杂着斩波带来的毛刺和被调制到高频的噪声，经过低通滤波器 滤除后输出信号 。的时域图如图所示。图 4 V3、Vout波形时间 t/s 频谱图分析传感器输入信号的频谱图如图所示。图 5 输入信号Vif/fkVi123456斩波信号 的傅里叶变换表达式为：（）（）（）（）（）（）其中，为傅里叶系数，有：（）（）式中，。经 调制，频谱被调制到斩波频率的奇次谐波上，其表达式为：（）（）（）（）的频谱图如图所示。图 6 V1频谱图f/fkV11234567有效信号经放大器放大，得到：理论研究电工技术 中国电工网（）（）（）（）此时放大器的噪声及白噪声会进入信号中，的频谱图如图所示。图 7 V2频谱图f/fk有效信号1/f 噪声白噪声V201234567再经解调，得到：（）（）（）（）（）即原始信号被解调到的偶次谐波处，而噪声经过一次解调：（）（）（）（）（）（）即噪声被解调至的奇次谐波处，的频谱图如图所示。图 8 V3频谱图f/fk有效信号1/f 噪声白噪声V30123456经过低通滤波，滤除高频信号，就可得到放大了的输入信号 ，频谱图如图所示。理想情况下，斩波放大电路的低频噪声不存在了。图 9 Vout频谱图f/fk有效信号Vout1/f 噪声白噪声01斩波放大电路噪声分析对斩波放大电路基带（以内）噪声造成影响的主要有放大器的噪声及其白噪声。（）放大器白噪声对基带噪声的影响。当放大电路截止频率远大于斩波频率时，对基带噪声的贡献为自身。（）放大器噪声对基带噪声的影响。噪声的功率谱为：（）（）其中，为运放的转折频率，可得：（）（）由此可知，当越大于，噪声对基带噪声的影响越小。所以，从噪声的角度看，斩波频率应尽可能大于。基带噪声总和为式（）与式（）之和，即：（）（）（）实验测试 低噪声前置放大器增益测试在前置放大电路预设频带范围内选取适当数量的频率点对放大电路的幅频特性进行测量。信号源输出信号 为，使用动态信号分析仪测量放大器输出信号 ，前置放大电路增益 ，测量结果如图 所示。图 10 低噪声前置放大电路增益测试频率/Hz由图 可知，斩波开关对信号放大倍数基本没有影响，高低频放大电路幅频特性具有良好的衔接性，在 频段内，电路的增益约为 左右，受低通滤波器的影响，频段内，幅频特性曲线呈下降趋势。低噪声前置放大器噪声测试为验证斩波放大对放大器低频噪声的抑制作用，选用集成运算放大器和模拟多路开关搭建斩波放大电路，模拟多路开关实现斩波调制解调。输入端对地短路，测量电路的等效输入噪声，实验结果如图 所示。由图 可知，无斩波时，噪声曲线在低频段存在明显的噪声；当斩波放大时，电路等效输入噪声较平坦，约 为 ；集 成 斩 波 放 大 器 的噪声水平为 。实验结果与理论分析符合，证明斩波放大器的噪声得到很好的电工技术理论研究2023 1期 抑制。图 11 斩波开/关等效输入噪声nv/rtHz20151050100101102103f/Hz结语噪声水平是放大电路的重要参数，也是传感器的关键性能指标。本文从时间域及频率域对斩波放大进行了理论分析，并设计实验进行验证。实验结果表明，输入噪声为 ，低于目前最好的集成斩波放大器 （）。参考文献 高晋占 微弱信号检测 北京：清华大学出版社，周求湛 弱信号检测与估计 北京：北京航空航天大学出版，：，：，：周胜海，郭淑红基于低噪声运放的传感器前置放大器设计 仪表技术与传感器，（）：王晓飞，李凯，韩焱，等基于磁悬浮效应的振动传感器设计传感器与微系统，（）：（上接第 页）件，对风电机组的机电耦合特性、机网交互特性进行了研究。通过仿真分析，验证了本文研究的双馈风电机组谐波产生机理的准确性，即在次、次谐波下的电网环境，机组通过和电网的交互作用，会在 点处发生对应次的电流、电压谐波畸变。通过仿真进一步验证了本文提出的 策略的合理性、实用性。本文搭建的数学模型、准确的谐波产生机理为日后针对双馈风电机组谐波特性研究提供了方向；提出的 策略也为机组的谐波治理提供了方法。参考文献 段志强，黄国杰，何庆峰，等双馈异步风电机组谐波产生原因分析 风能，（）：赵腾风电机组谐波分析及控制风能，（）：赵梓航，王海云，唐新安，等风电机组变流器电流谐波水平案例分析电测与仪表，（）：金德智，胡雪琛，李阳春谐波导致风电机组停机问题及解决方案 电工技术，（）：，李庆，程鹏，王伟胜双馈风电机组中频谐波电流建模与分析电力系统自动化，（）：戴烨敏，李育坤，林顺富，等多逆变器并网系统多谐波建模及谐波交互分析电气传动，（）：陈思源，景巍巍，史明明，等新能源接入背景下的谐波源建模方法综述电力系统保护与控制，（）：应有，张书涵，杨靖双馈式风电机组高电压穿越技术联合仿真研究电气自动化，（）：李俊卿，戴斌 一种双馈风电机组网侧变流器抑制低次谐波的多环控制电机与控制应用，（）：理论研究电工技术