專利名稱：一種降低放大器噪聲的方法及其超低噪聲前置放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)微電場(chǎng)信號(hào)的放大技術(shù)，可用于震電勘探、物探或其它需要超低噪聲放大場(chǎng)合的一種降低放大器噪聲的方法及其超低噪聲前置放大器。
對(duì)于震電勘探、物探或其它需要放大器信噪比極高場(chǎng)合，降低放大器噪聲是能否實(shí)現(xiàn)作業(yè)目的的關(guān)鍵。目前，常規(guī)的解決方法主要是改進(jìn)放大器本身，但仍不能適應(yīng)某些工作環(huán)境下的要求，如遙測(cè)儀器普遍采用的放大器的等效輸入噪聲為0.15微伏以上，如SYSTEMONE(美國(guó)產(chǎn)品)為0.23微伏、SYSTEMTWO(美國(guó)產(chǎn)品)為0.157微伏、ARAM24(加拿大產(chǎn)品)為0.2微伏，這些產(chǎn)品都達(dá)不到采集0.12微伏以下弱電場(chǎng)信號(hào)的目的。上述儀器所使用的前置放大器，其結(jié)構(gòu)均為差分輸入、深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大器。這種差分電壓放大器僅簡(jiǎn)單考慮提高輸入阻抗，以減小對(duì)前一級(jí)的負(fù)載，而沒有考慮信號(hào)源特性與放大器本身的適應(yīng)性對(duì)等效參考噪聲的影響，從匹配輸入阻抗入手達(dá)到最佳信噪比。另外，放大器本身也有缺陷，如電路所需的標(biāo)準(zhǔn)電源是從+15V供電電源經(jīng)分立元件穩(wěn)壓得到，產(chǎn)生較大的噪聲，采用的無源屏蔽方式也不能有效消除噪聲。
本發(fā)明目的在于采用最佳噪聲匹配技術(shù)和有源屏弊技術(shù)，使前置放大器的等效輸入噪聲降低到0.11微伏以下而提供一種降低放大器噪聲的方法及其超低噪聲前置放大器。
本發(fā)明
如下圖1是本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)最佳輸入匹配所設(shè)計(jì)的放大器模型；圖2是超低噪聲前置放大器的電路原理圖。
本發(fā)明采用了一種降低放大器噪聲的方法，使差分電壓放大器與輸入的信號(hào)源特性相適應(yīng)以消除噪聲，具體地說是調(diào)整信號(hào)源輸入阻抗達(dá)到最佳信噪比，依照如下公式計(jì)算出與已知放大器對(duì)應(yīng)的最佳源電阻R=EnIn=4kTΔf+rbb′+2qIbΔf(1+f1f)(rbb′)2+2qIcΔf(rbb′+rb′e(1+β)Reβ022qIbΔf(1+f1f)+2qIcΔfβ02]]>式中rbb′為差分放大器基區(qū)擴(kuò)散電阻K為玻耳茲曼常數(shù) T為絕對(duì)溫度Ib為基極靜態(tài)電流q為電子電量Ic為集電極靜態(tài)電流 Δf為頻帶寬度rb′e為集電區(qū)擴(kuò)散電阻 β0為gmβre為發(fā)射極電阻 f為工作頻率f1為低頻拐角頻率 β為Q1的電流放大倍數(shù)Rs為信號(hào)源內(nèi)阻據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論，一個(gè)放大器的內(nèi)部噪聲可以用串聯(lián)在輸入端的一個(gè)具有零阻抗的電壓發(fā)生器En和一個(gè)并聯(lián)在輸入端的具有無窮大阻抗的電流發(fā)生器In來表示，稱這種表示為噪聲模型，如圖3。
其中Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，Ens為信號(hào)源內(nèi)阻上的熱噪聲，Av為放大器的電壓增益，ρ為相關(guān)系數(shù)。等效輸入噪聲的表達(dá)式為Em2=Eno2Av2=Ens2+En2+In2Rs2+2ρEnInRs]]>噪聲系數(shù)為F=Vs2Ens2Vso2Eno2=Ens2+En2+In2Rs2+2ρEnInRsEns2=1+En24KTRsΔf+In4KTΔfRs]]>對(duì)該式求偏導(dǎo)，令
可以求出最小噪聲系數(shù)
及最佳源阻抗
按Rsopt設(shè)計(jì)信號(hào)源(檢波器、電極等)內(nèi)阻，對(duì)選定放大器，En及In均已確定，如果相關(guān)系數(shù)為零，則信號(hào)源阻抗等于最佳源阻抗時(shí)，可以獲得最小噪聲系數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳噪聲匹配。
本發(fā)明還包括與上述降低放大器噪聲的方法配套使用的超低噪聲前置放大器，放大器為差分放大電路，采用有源屏蔽電路，輸出端的信號(hào)通過AR4和AR5放大器，引入到屏蔽層上，其信號(hào)大小及極性與被屏蔽線上的信號(hào)相同，可減小或消除分布電容效應(yīng)。
本發(fā)明放大器還采用Ref01參考電源模塊供電，提供參考電源，進(jìn)一步提高信噪比。
本發(fā)明放大器由三級(jí)組成，輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)(如圖2)。輸入級(jí)的應(yīng)滿足噪聲指標(biāo)、源阻抗特性、頻率響應(yīng)及共模擬制比的要求；中間級(jí)的應(yīng)滿足頻率響應(yīng)、電壓增益及級(jí)間阻抗匹配的要求；輸出級(jí)的應(yīng)滿足信號(hào)特性變換、低輸出阻抗及高輸入阻抗的要求。
Q1及相應(yīng)器件組成了差分輸入級(jí)；AR1及AR2為一階有源濾波器(積分電路)，充當(dāng)中間級(jí)，高頻截止頻率為1000HZ；AR3為輸出級(jí)。AR1、AR2、及AR3均選美國(guó)產(chǎn)OP27低噪聲運(yùn)算放大器；AR4及AR5組成了有源屏蔽電路；R1、R2、R4、R6及R7組成了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，電阻網(wǎng)絡(luò)決定了放大器的增益，增益的大小由S1開關(guān)控制，增益為24dB、36dB和48dB三檔可選；R12、C8及S2開關(guān)組成了頻譜整形電路。
本發(fā)明選用Ref01(美國(guó)穩(wěn)壓電源集成電路)參考電源模塊作參考電壓，降低了電源噪聲。本發(fā)明還采用有源屏蔽技，改進(jìn)通常在輸入線上加上屏蔽層，且屏蔽層接地方法。由于這種方法使屏蔽層和信號(hào)線間存在分布電容，分布電容效應(yīng)會(huì)使有效輸入信號(hào)減小，且有相位移動(dòng)。有源屏蔽技術(shù)是將輸出端的信號(hào)通過AR4和AR5增益，引入到屏蔽層上，其信號(hào)大小及極性與被屏蔽信號(hào)線上的信號(hào)相同，可減小或消除分布電容效應(yīng)，提高傳輸效率和信噪比。
本發(fā)明放大器的其它技術(shù)指標(biāo)為共模擬制比為109分貝，畸變?yōu)?.01％，等效輸入噪聲0.11微伏以下，最大輸入信號(hào)為298.125mv，頻帶度為1300HZ。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是采用最佳噪聲匹配技術(shù)和有源屏弊技術(shù)，使前置放大器的等效輸入噪聲降低到0.11微伏以下，可滿足需要超低噪聲放大的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種降低放大器噪聲的方法，其特征在于使差分電壓放大器與輸入的信號(hào)源特性相適應(yīng)以消除噪聲，具體地說是調(diào)整信號(hào)源輸入阻抗達(dá)到最佳信噪比，依照如下公式計(jì)算出與已知的放大器對(duì)應(yīng)的最佳源電阻R=EnIn=4kTΔf+rbb′+2qIbΔf(1+f1f)(rbb′)2+2qIcΔf(rbb′+rb′e(1+β)Reβ022qIbΔf(1+f1f)+2qIcΔfβ02]]>式中rbb′為差分放大器基區(qū)擴(kuò)散電阻K為玻耳茲曼常數(shù) T為絕對(duì)溫度Ib為基極靜態(tài)電流 q為電子電量Ic為集電極靜態(tài)電流 Δf為頻帶寬度rb′e為集電區(qū)擴(kuò)散電阻 β0為gmβre為發(fā)射極電阻 f為工作頻率f1為低頻拐角頻率 β為Q1的電流放大倍數(shù)
2.與權(quán)利要求1所述的方法配套使用的超低噪聲前置放大器，采用差分放大電路，其特征在于電源部分采用Ref01參考電源模塊供電；輸出端的信號(hào)通過AR4和AR5放大器，引入到屏蔽層上，其信號(hào)大小及極性與被屏蔽線上的信號(hào)相同，減小或消除分布電容效應(yīng)，提高信噪比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超低噪聲前置放大器，其特征在于電源部分采用Ref01參考電源模塊提供參考電源。
全文摘要
一種降低放大器噪聲的方法及其超低噪聲前置放大器,其電壓放大器與輸入的信號(hào)源特性相適應(yīng)以消除噪聲,具體地說是調(diào)整信號(hào)源輸入阻抗達(dá)到最佳信噪比,超低噪聲前置放大器采用差分放大電路,電源部分采用Ref01參考電源模塊供電,輸出端的信號(hào)通過AR4和AR5放大,引入到屏蔽層上,其信號(hào)大小及極性與被屏蔽線上的信號(hào)相同,減小或消除分布電容效應(yīng),放大器的等效輸入噪聲可降低到0.11微伏以下,滿足需要超低噪聲放大的震電勘探、物探等場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H03F1/26GK1208282SQ98101880
公開日1999年2月17日 申請(qǐng)日期1998年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月25日
發(fā)明者張永軍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣總公司地球物理勘探局