分立元件设计的低噪声前置放大器实用电路_郭玉

第28卷　第4期 2005年12月 　 电　子　器　件Chinese Jour nal of Elect ron Devices 　 Vo l. 28 No. 4 Dec. 2005 　　　　　　 Applied Circuit of Lower-Noise Preamplif ier Composed by Unattached Components GUO Yu, LU Yong-kang, CH EN Bo ( I nstitute of Geop hysics&G eomat ics, China Univ ersity of G eoscie nces,W uhan 430074, China ) Abstract: According to series-w ound amplif ier s and noise theo ry , an applied circuit o f low-noise pr eamplif ier is designed using unat tached components. The result show s that the circuit has low er noise voltag e than the low-noise operational amplif iers ex isted in the pr esent mar ket . It is an ideal circuit of pr eamplif ier for the signal generator w ith low innet resistance. Keywords: t ransistor ; no ise analy sis; parameter indexes; design EEACC: 1220; 5230 分立元件设计的低噪声前置放大器实用电路 郭　玉,鲁永康,陈　波 (中国地质大学地空学院, 武汉 430074) ª 摘　要:根据级联网络及噪声理论, 本文采用分立元件设计了一种低噪声前置放大器实用电路. 测试结果表明该电路比目前 市场上低噪声运放具有更低的噪声电压 ,是一种适于低内阻信号源较理想的低噪声前置放大器电路。 关键词:晶体管;噪声分析; 参数指标;设计 中图分类号: TN722. 3　　 文献标识码: A　　文章编号: 1005-9490( 2005) 04-0795-03 　　为了高精度地 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 及传送微弱信号, 低噪声前 置放大器是不可或缺的。大多采用低噪声运放, 但对 低内阻的信号源,如超导测温、热电偶测温, 不能直 接与运放直接耦合,需加一匹配网络,才能达到噪声 的最佳匹配。这样电路结构不仅复杂,还增加额外的 噪声。另外, 集成运放的体电阻比分立元件大得多, 在集成电路中还有报道说发现等离子噪声, 故电路 结构相似的集成运放的噪声比分立元件大 2～5 倍[ 1]。目前, 在高灵敏度的自动化仪表及检测装置 中,均配有各种性能的传感器, 且其内阻比较小,故 前置放大器如何与低内阻的信号源达到最佳噪声匹 配是个十分关键的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。针对此问题,本文在对级联 网络、并联晶体管噪声模型和双极型晶体管噪声分 析的基础上, 采用分立元件设计了一种低噪声前置 放大器实用电路。实测该电路的噪声电压达 0. 82nV/ Hz,这一指标超过了目前市销的低噪声 运放。 1　级联网络 微弱信号的检测技术在多个领域内有广泛的应 用,由于被测信号很微弱,有时仅为微伏数量级甚至 更小,因此必须经过几级放大,才能得到足够大的信 号用于数据采集( A/ D)和处理. 在有用信号被放大 的同时,前置级的噪声也被放大.级联放大器的总噪 声系数F [ 2]为: F = F 1 + F 2 - 1 G1 + F 3 - 1 G1G2 + ⋯ + Fn - 1 G 1G2⋯Gn- 1 + ⋯⋯ ( 1) 收稿日期: 2005-01-17 作者简介: 郭　玉( 1979-) ,女, 在读硕士研究生,从事检测技术与自动化装置, g uo770521@ 163. com 其中, Fn、Gn 分别为第N 级的噪声系数、有效功率增 益。式( 1)表明,当前置级的增益G1足够大,且噪声 系数F 1足够小时,多级串联放大器的噪声系数F 才 会较小.故在级联放大器中前置放大器的噪声要尽 量的小。 2　并联放大器的噪声模型 N 个放大器并联电路的噪声相当于它们的噪声电 压E n和噪声电流I n发生器并联[ 3] ,如图1所示。 图 1　并联电路噪声E n- I n 模型 R s- 信号源电阻, V s- 信号源电压, Ens- 源电阻的均方根噪声 图1中, 等效噪声电压: E′n = En N ( 2) 等效电流: I′n = N I n ( 3) 等效最佳噪声电阻: R′0= E′n I′n = R 0 N ( 4) 其中, R 0为最佳源电阻。 放大器的噪声系数为: F = 总的等效输入噪声功率 源电阻噪声功率 = 源电阻噪声功率 + 前置放大器等效输入噪声功率 源电阻噪声功率 = 4kTR s õ $ f + E′2n + I′2n õR2s 4kTR s õ $ f = 1 + E ′2 n + I ′2n õR 2s 4kTR s õ $ f ( 5) 式( 5)中, k 为波尔兹曼常数 , T 为绝对温度, $ f 为 噪声带宽。由式( 2)～( 5)可知, 随着并联级数N 的 增多, R′0将成比例减少,并且当R S较小时, E′n 占优 势,有利于F 的减少。 3　双极型晶体管噪声分析 双极型晶体管的噪声指数与频率的关系[ 2]如图 2所示。由图2可以看出,噪声指数在某些中频范围 为常数,而在其两端升起。在低频时,“1/ f ”噪声(接 触噪声)和 f 1都随着集电极电流 I c的增加而增加; 高于 f 1时,噪声指数由基极电阻上的热噪声和发射 极与集电极结上的散粒噪声组成的白噪声, 选用基 极电阻小、电流增益大和截频高的晶体管可使白噪 声减到最小;在高于 f 2时, 噪声的增加是由于: ¹ 晶 体管的增益降低; º 输出结(集电极)上的噪声不受 图 2　双极型晶体管频率与噪声系数的关系 晶体管增益的影响。 为了得到小的噪声, 综合考虑电路的性能及成 本, 在选用晶体管时, 选择了基极电阻小、高电流增 益B的晶体管、并工作在较小的集电极电流I c上。另 外电路中的电容、电阻也采用了的低噪声的器件。 4　低噪声前置放大器的电路设计 根据以上噪声性能分析及文献[ 4] ,我们设计出 了一种更低噪声的前置放大器电路,原理图如图 3 所示。 图 3　低噪声前置放大原理图 图3中, T 1～T 6 均为低噪声的NPN 型晶体管, 其中, T 1～T 4是4个性能参数相同的晶体管并联组 成共射极电路,实际制作中选取电流增益均为270; T 5、T 6的B与前4个相近.第一级的基极偏流由第二 级的发射极V e5提供,由于三级之间是直接耦合, 在 取得偏流的同时,也引进了直流负反馈,稳定了直流 工作点(减弱了环境温度对静态工作点的影响)。为 了去掉通过偏流电阻造成的交流负反馈(它会使电 路的输入阻抗减小)在偏流电路中接入电容C2 ,使得 前置放大单元的输入阻抗得到了提高. 整个电路采 用电压串联负反馈来稳定放大倍数, 同时提高输入 阻抗,降低了输出阻抗. C1为耦合电容,为了尽可能 减少噪声, C1、C2 均为钽电容.由于钽电容漏电电流 很小,本身的噪声也较小,以致可以忽略不计。 此电路的放大倍数为: K u= Ref+ Rel Re1 5　电路实测参数如下 ( 1)噪声电压(正弦波法[ 2] ) : 796　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电　子　器　件　　　　　　　 第28卷 　　由于噪声信号微弱且为交流信号,不易准确测 量,测量时采用自行制作的高灵敏度、宽频带的线性 检波器加在前置放大器的输出端,检波输出噪声Eno 由 4 12 倍数字万用表测量, 噪声均方根值为1. 13 Eno [ 3]。此前置放大器的等效噪声电压可表示为 E ni B = 1. 13Eno B K tK , 其中, Eni、K t 分别为前置放大器的等效 输入噪声和电压传输增益(受实验条件限制,本文用 电压增益K u 代替) , B= P2 f 0[ 2] ( f 0 为放大器的- 3 dB 带宽)为等效噪声带宽, K 为线性检波器的放大 倍数.在无屏蔽及电磁干扰小的空旷条件下测得Eno = 0. 45 mV (几次测量数据的平均值) , 可算出本电 路的等效噪声电压为0. 82nV / Hz。 如果精心挑选其中的 4个并联晶体管,并加屏 蔽(在放大器的外面加屏蔽罩,仅将输出信号引出) 的条件下,可望得到更低的噪声电压。 º 最大不失真输出信号: v maxo= 1. 25 V; » 放大倍数: K u= 50; ¼ 输入阻抗: R in= 1. 62 M 8 ; ½ - 3 dB 带宽: 10～280 kHz。 6　对比与结论 　　与市场上的几种超低噪声运放相比见表1。 表 1　几种超低噪声运放与本电路参数比较¹ º 型号 OP27 OP470 M AX427 / 437 MAX4104 / 4105 INA 217 本文 电路 噪声电压/ ( nV·Hz - 12 ) 3. 7 5 < 2. 4 2. 1 1. 3 0. 82 电源电流/ mA 4. 7 4. 7 4 ±10 < 1 电源电压/ V ±3～ ±18 ±15 ±5 ±4. 5～ ±18 6 ¹ 《国外电子元器件》2003年 第 5期; º 北京英赛尔器件集团- ADI 产品 相比之下, 本电路具有以下两特点: ¹ 其等效噪声电压更低, 且适用于较小内阻的 微弱信号进行放大; º 用单电源即可正常工作,工作 电流小于1 mA ,功耗很低,结构简单,适用于便携式 仪器。 参考文献: [ 1]　樊锡德 . 具有强抗干扰和低噪声的前置放大器[ J] 仪器仪表 1995, ( 5) : 8-10。 [ 2]　W. 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