100 Hz-1 MHz感应式磁传感器的低噪声前置放大电路设计.pdf

Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用传感器技术与应用,2023,11(3),222-231 Published Online May 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jsta https:/doi.org/10.12677/jsta.2023.113024 文章引用文章引用:唐尧,晏茂珊.100 Hz1 MHz 感应式磁传感器的低噪声前置放大电路设计J.传感器技术与应用,2023,11(3):222-231.DOI:10.12677/jsta.2023.113024 100 Hz1 MHz感应式磁传感器感应式磁传感器的的 低噪声低噪声前置放大电路设计前置放大电路设计 唐唐 尧尧1,2，晏茂珊，晏茂珊1,2 1中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 2中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙 收稿日期：2023年3月15日；录用日期：2023年5月1日；发布日期：2023年5月11日 摘摘 要要 感应式磁传感器常用于大地电磁法勘探中，降低感应式磁传感器的噪声水平可改善采集的磁场数据信噪感应式磁传感器常用于大地电磁法勘探中，降低感应式磁传感器的噪声水平可改善采集的磁场数据信噪比，进而提高大地电磁法的勘探精度。本文从感应式磁传感器的原理出发，分析了感应式磁传感器的噪比，进而提高大地电磁法的勘探精度。本文从感应式磁传感器的原理出发，分析了感应式磁传感器的噪声源分布，采用低噪声声源分布，采用低噪声JFET(JFE2140)和高速集成运算放大器和高速集成运算放大器(OPA211)设计并制作了一款低噪声前置放设计并制作了一款低噪声前置放大电路大电路，该前置放大电路的电压噪声为该前置放大电路的电压噪声为1.8 nV/Hz100kHz，电流噪声为，电流噪声为2.9 fA/Hz100kHz，固定，固定增益为增益为60 dB，带宽为，带宽为30 Hz500 kHz。测量结果表明，该低噪声前置放大电路适用于。测量结果表明，该低噪声前置放大电路适用于100 Hz1 MHz感感应式磁传感器中的微弱磁场信号放大。应式磁传感器中的微弱磁场信号放大。关键词关键词 大地电磁法勘探大地电磁法勘探，感应式磁传感器感应式磁传感器，低噪声，前置放大电路，低噪声，前置放大电路 Low Noise Amplifier Design for 100 Hz1 MHz Induction Magnetometers Yao Tang1,2,Maoshan Yan1,2 1School of Geoscience and Info-Physics,Central South University,Changsha Hunan 2Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals,Ministry of Education,Central South University,Changsha Hunan Received:Mar.15th,2023;accepted:May 1st,2023;published:May 11th,2023 Abstract Induction Magnetometers(IM)are commonly used in geomagnetic exploration.Reducing the noise 唐尧，晏茂珊 DOI:10.12677/jsta.2023.113024 223 传感器技术与应用 of Induction Magnetometers can improve the signal-to-noise ratio of the collected magnetic field data,which in turn can improve the exploration accuracy of geomagnetic exploration.In this paper,the noise source distribution of IM is analyzed.A low-noise JFET(JFE2140)and a high-speed integrated operational amplifier(OPA211)were used to design and fabricate a low-noise amplifier with a voltage noise of 1.8 nV/Hz100kHz and a current noise of 2.9 fA/Hz100kHz,a fixed gain of 60 dB and a bandwidth of 30 Hz500 kHz.The measurement results show that this low-noise amplifier is suitable for amplifying weak magnetic field signals in 100 Hz1 MHz Induc-tion Magnetometers.Keywords Magnetotelluric Methods,Induction Magnetometers,Low Noise,Amplifier Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 由感应线圈、前置放大电路、磁芯构成的感应式磁传感器(Induction Magnetometers,IM)因具有低功耗、高灵敏度、高分辨率、携带方便等特点1 2 3 4，在大地电磁法勘探工作中常承担着磁场信号的测量任务。感应式磁传感器的噪声水平是决定其性能优劣的重要指标。研究与实践表明，感应式磁传感器总噪声主要由感应线圈的直流电阻热噪声、前置放大电路的电压噪声、前置放大电路的电流噪声经感应线圈阻抗产生的电压噪声等三部分构成5 6。在感应线圈的直流电阻不发生改变的情况下，设计出一款低电压噪声、低电流噪声的前置放大电路成为了降低感应式磁传感器噪声水平的主要途径。近年来，国内外许多学者对感应式磁传感器的前置放大电路进行了优化设计。在 Asaf Grosz 采用集成运算放大器搭建的前置放大电路中7，其电压噪声高达 55 nV/Hz1kHz，电流噪声达到了 100 fA/Hz1kHz。而 C Coillot 设计的 CMOS 集成运算放大器其噪声水平得到了显著的改善4，对应的电压噪声为 3 nV/Hz10kHz，电流噪声为 20 fA/Hz10 kHz。H.C.Sran、Yong Liu、Kai Liu 等人采用低噪声结型场效应晶体管(JFET)设计的放大电路均有具较低的噪声水平5 8 9。其中，由 Kai Liu 设计的放大电路最具代表性，其当频率大于 10 Hz 时，其等效输入电压噪声低于 1 nV/Hz，而等效输入电流噪声为 10 fA/Hz1kHz，但其带宽的上限截止频率仅为 10 kHz。而 Hongyu Shi、Bin yan、Li Jiawei 等人分别设计的低噪声斩波放大器具有较高的电流噪声，且该放大器仅适用于低频感应式磁传感器的信号放大6 10 11。尽管前人设计出了很多性能优异的前置放大电路，但因其噪声水平较高、带宽上限频率低等因素，适用于测量频率范围为 100 Hz1 MHz 感应式磁传感器的前置放大电路却很少。本文基于低噪声 JFET(JFE2140)以及低噪声的高速集成运算放大器(OPA211)设计并制作了一款电压噪声为 1.8 nV/Hz100kHz，电流噪声为 2.9 fA/Hz100kHz，固定增益为 60 dB，带宽为 30 Hz500 kHz的前置放大电路。2.感应式磁传感器的基本原理感应式磁传感器的基本原理 2.1.感应线圈的频率响应感应线圈的频率响应 感应式磁传感器主要由磁芯、前置放大电路、感应线圈组成。基于法拉第电磁感应定律，当绕制有Open AccessOpen Access唐尧，晏茂珊 DOI:10.12677/jsta.2023.113024 224 传感器技术与应用 感应线圈的磁芯处于交变磁场当中，感应线圈的感应电压在时间域可以表示为：()()()ddddapptB te tNNAtt=(1)当交变磁场为谐变场时，感应电压在频率域则变为：()()2appe fjNAB f=(2)在公式(1)和公式(2)中，N 为感应线圈的绕制匝数，为闭合感应线圈的磁通量，app为磁芯的视磁导率，其主要与磁芯材料以及磁芯的几何参数有关，A 为磁芯的有效横截面积，B 为平行于磁芯方向的交变磁场，f 为平行于磁芯方向的交变磁场变化频率，j 为虚数单位。感应线圈通常等效为一个 R，L，C 振荡电路(图 1)，其中，R 为感应线圈的直流电阻，L 为感应线圈的电感，C 为感应线圈的分布电容。前置放大电路的输出电压与感应线圈产生的感应电压之间的传输函数为：()()()()22124oVfG fTfe fjfRCf LC=+(3)其中，Vo(f)为前置放大电路的输出电压，G(f)为放大器增益。联立公式(2)和公式(3)，可以得到前置放大电路的输出电压与平行于磁芯方向的交变磁场之间的传输函数为：()()()()222124appojfNAG fVfHB fjfRCf LC=+(4)Figure 1.Equivalent circuit model of an induction coil and its noise source distribution 图图 1.感应线圈的等效电路模型及其噪声源分布 2.2.传感器的噪声分析传感器的噪声分析 感应式磁传感器的噪声是衡量其性能的重要指标。为了降低感应式磁传感器的噪声水平，提高对微弱交变磁场信号的检测精度，分析感应式磁传感器内部的噪声源分布显得尤为重要。正如图 1 所示，感应式磁传感器内部的噪声通常由以下几部分构成7：放大器的电压噪声 en折合到感应线圈的输入端为：()()22124ninefefjfRCf LC=+(5)由放大器的电流噪声 in通过感应线圈阻抗产生电压噪声折合到感应线圈的输入端为：()()2iinefifRjfL=+(6)唐尧，晏茂珊 DOI:10.12677/jsta.2023.113024 225 传感器技术与应用 由感应线圈的直流电阻产生的热噪声为：()4refkTR=(7)其中，k=1.3806491023 J/K，为玻尔兹曼常量，T 为热力学温度。由于上述噪声不是同源的，因此总的噪声可以表示为：()()()()222totniiirefefefef=+(8)将公式(2)带入公式(8)则可以得到感应式磁传感器的等效输入磁场噪声为：()()()()()22222niiirtotniappappefefefefBffNAfNA+=(9)为了直观地展示感应式磁传感器内部各噪声源对总噪声的贡献，本文在公式(5)至公式(8)的基础之上，并给定如表 1 所示的参数，得到了如图 2 所示的各部分噪声的功率谱密度。Table 1.Selected parameters in induction magnetometers 表表 1.感应式磁传感器中的部分参数 参数 符号及单位 值 感应线圈直流电阻 R()100.0 感应线圈分布电容 C(pF)20.0 感应线圈电感 L(H)30.0 感应线圈绕制匝数 N(匝)10000.0 磁芯视磁导率 app 200.0 磁芯有效横截面积 A(cm2)1.5 大器电压噪声 en(nV/H