一种降低放大器噪声的方法及其超低噪声前置放大器

摘要

一种降低放大器噪声的方法及其超低噪声前置放大器,其电压放大器与输入的信号源特性相适应以消除噪声,具体地说是调整信号源输入阻抗达到最佳信噪比,超低噪声前置放大器采用差分放大电路,电源部分采用Ref01参考电源模块供电,输出端的信号通过AR4和AR5放大,引入到屏蔽层上,其信号大小及极性与被屏蔽线上的信号相同,减小或消除分布电容效应,放大器的等效输入噪声可降低到0.11微伏以下,满足需要超低噪声放大的震电勘探、物探等场合。

说明书

本发明涉及对微电场信号的放大技术，可用于震电勘探、物探或其它需要超低噪声放大场合的一种降低放大器噪声的方法及其超低噪声前置放大器。

对于震电勘探、物探或其它需要放大器信噪比极高场合，降低放大器噪声是能否实现作业目的的关键。目前，常规的解决方法主要是改进放大器本身，但仍不能适应某些工作环境下的要求，如遥测仪器普遍采用的放大器的等效输入噪声为0.15微伏以上，如SYSTEMONE(美国产品)为0.23微伏、SYSTEMTWO(美国产品)为0.157微伏、ARAM24(加拿大产品)为0.2微伏，这些产品都达不到采集0.12微伏以下弱电场信号的目的。上述仪器所使用的前置放大器，其结构均为差分输入、深度电压串联负反馈的放大器。这种差分电压放大器仅简单考虑提高输入阻抗，以减小对前一级的负载，而没有考虑信号源特性与放大器本身的适应性对等效参考噪声的影响，从匹配输入阻抗入手达到最佳信噪比。另外，放大器本身也有缺陷，如电路所需的标准电源是从+15V供电电源经分立元件稳压得到，产生较大的噪声，采用的无源屏蔽方式也不能有效消除噪声。

本发明目的在于采用最佳噪声匹配技术和有源屏弊技术，使前置放大器的等效输入噪声降低到0.11微伏以下而提供一种降低放大器噪声的方法及其超低噪声前置放大器。

本发明附图说明如下：

图1是本发明为实现最佳输入匹配所设计的放大器模型；

图2是超低噪声前置放大器的电路原理图。

本发明采用了一种降低放大器噪声的方法，使差分电压放大器与输入的信号源特性相适应以消除噪声，具体地说是调整信号源输入阻抗达到最佳信噪比，依照如下公式计算出与已知放大器对应的最佳源电阻： $>>R>=>>>E>n>>>I>n>>>=>>>>4>kT\Delta f>+>>r>>bb>\prime >>>+>2>q>>I>b>>\Delta f>>(>1>+>>>f>1>>f>>)>>>>(>>r>>bb>\prime >>>)>>2>>+>2>q>>I>c>>\Delta f>>>(>>r>>bb>\prime >>>+>>r>>>b>\prime >>e>>>>(>1>+>\beta >)>>>R>e>>>>>\beta >0>>2>>>>>2>q>>I>b>>\Delta f>>(>1>+>>>f>1>>f>>)>>+>>>2>q>>I>c>>\Delta f>>>>\beta >0>>2>>>>>>>s>$

式中：r_bb′为差分放大器基区扩散电阻K为玻耳兹曼常数              T为绝对温度I_b为基极静态电流            q为电子电量I_c为集电极静态电流          Δf为频带宽度r_b′e为集电区扩散电阻       β₀为gmβr_e为发射极电阻              f为工作频率f₁为低频拐角频率           β为Q1的电流放大倍数R_s为信号源内阻

据网络理论，一个放大器的内部噪声可以用串联在输入端的一个具有零阻抗的电压发生器E_n和一个并联在输入端的具有无穷大阻抗的电流发生器I_n来表示，称这种表示为噪声模型，如图3。

其中R_s为信号源内阻，E_ns为信号源内阻上的热噪声，A_v为放大器的电压增益，ρ为相关系数。等效输入噪声的表达式为： $>sup>>E>m>2sup>>=>sup>>E>no>2sup>sup>>A>v>2sup>>>=sup>>E>ns>2sup>>+sup>>E>n>2sup>>+sup>>I>n>2sup>sup>>R>s>2sup>>+>2>\rho >>E>n>>>I>n>>>R>s>>>s>噪声系数为：$ >>F>=>>sup>>V>s>2sup>sup>>E>ns>2sup>>>sup>>V>so>2sup>sup>>E>no>2sup>>>>=>>sup>>E>ns>2sup>>+sup>>E>n>2sup>>+sup>>I>n>2sup>sup>>R>s>2sup>>+>2>\rho >>E>n>>>I>n>>>R>s>>sup>>E>ns>2sup>>>=>1>+>sup>>E>n>2sup>>>4>>KTR>s>>\Delta f>>>+>>>I>n>>>4>KT\Delta f>>>>R>s>>>s>对该式求偏导，令可以求出最小噪声系数及最佳源阻抗按R$$_sopt设计信号源(检波器、电极等)内阻，对选定放大器，E_n及I_n均已确定，如果相关系数为零，则信号源阻抗等于最佳源阻抗时，可以获得最小噪声系数，实现最佳噪声匹配。

本发明还包括与上述降低放大器噪声的方法配套使用的超低噪声前置放大器，放大器为差分放大电路，采用有源屏蔽电路，输出端的信号通过AR4和AR5放大器，引入到屏蔽层上，其信号大小及极性与被屏蔽线上的信号相同，可减小或消除分布电容效应。

本发明放大器还采用Ref01参考电源模块供电，提供参考电源，进一步提高信噪比。

本发明放大器由三级组成，输入级、中间级和输出级(如图2)。输入级的应满足噪声指标、源阻抗特性、频率响应及共模拟制比的要求；中间级的应满足频率响应、电压增益及级间阻抗匹配的要求；输出级的应满足信号特性变换、低输出阻抗及高输入阻抗的要求。

Q1及相应器件组成了差分输入级；AR1及AR2为一阶有源滤波器(积分电路)，充当中间级，高频截止频率为1000HZ；AR3为输出级。AR1、AR2、及AR3均选美国产OP27低噪声运算放大器；AR4及AR5组成了有源屏蔽电路；R1、R2、R4、R6及R7组成了深度电压串联负反馈电路，电阻网络决定了放大器的增益，增益的大小由S1开关控制，增益为24dB、36dB和48dB三档可选；R12、C8及S2开关组成了频谱整形电路。

本发明选用Ref01(美国稳压电源集成电路)参考电源模块作参考电压，降低了电源噪声。本发明还采用有源屏蔽技，改进通常在输入线上加上屏蔽层，且屏蔽层接地方法。由于这种方法使屏蔽层和信号线间存在分布电容，分布电容效应会使有效输入信号减小，且有相位移动。有源屏蔽技术是将输出端的信号通过AR4和AR5增益，引入到屏蔽层上，其信号大小及极性与被屏蔽信号线上的信号相同，可减小或消除分布电容效应，提高传输效率和信噪比。

本发明放大器的其它技术指标为：共模拟制比为109分贝，畸变为0.01％，等效输入噪声0.11微伏以下，最大输入信号为298.125mv，频带度为1300HZ。

本发明优点是采用最佳噪声匹配技术和有源屏弊技术，使前置放大器的等效输入噪声降低到0.11微伏以下，可满足需要超低噪声放大的场合。