微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 微弱信号检测的超低噪音宽带放大 器设计 摘要：本文简要报道了微型超低 噪音宽带快电荷灵敏前置放大器。该放 大器主要采用高增益宽带低噪音电压反 馈型集成运放芯片 OPA847，其低电压 输入噪音低至 0.85nV/Hz1/2， 带宽高 至 3.9GHz。整个成本低至数百元，是 同类型产品的 1/10 或更少，该前置放大 器具有电路结构简单、紧凑，超高速， 极低噪音，超高稳定性等优点。经实验 测试，该放大器能有效进行微弱信号的 放大和噪音的抑制，可广泛应用于普通 物理实验的光电探测的前置放大，科研 上也具有较可观的应用前景。 中国论文网 /3/view-12958931.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 关键词：微弱信号检测；前置放 大器；超低噪音 中图分类号：TN722 文献识别 码：A 文章编号：1001-828X（2017） 007-0-02 The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurement QIN Zheng-bo，REN Yang- di，WANG Hui （Department of Physics， Anhui Normal University， Wuhu 241000， Anhui， China） Abstract： A miniature， ultra- low-noise， and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth， low-noise， voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan， which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple， compact， super-high speed， ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research. Key words： weak signal detection； pre-amplifier； ultra-low- noise 引言 在大W 物理实验中的光电测量， 光信息传输实验中的微弱信号检测或者 飞行时间质谱实验中的质谱检测，无论 光谱测量中使用的光电倍增管1，还是 质谱实验中使用的微通道板2-3，最终 输出的都是脉冲电子流，尤其是电子流 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 具有瞬态性和高速性（10-9 秒） ，而普 通的低带宽的放大器无法有效的进行高 速电子脉冲信号的放大，并且会造成时 间积分上的拉宽，造成信号损失乃至丢 失，最终可能不为采集装置所采集，因 此从检测器上所获得的微弱信号，需要 经过前置放大器进行预放大才可以被瞬 态采集卡或者示波器进行信号采集及数 据处理。由此可见，放大器的性能是影 响脉冲信号质量的一个关键环节。从频 谱分析可知，脉冲宽度与频带成反比， 一般来说，通常的脉冲信号半峰宽从几 纳秒左右到几十纳秒，其频谱范围可从 直流到 500MHz 以上，因此为了尽可能 减少信号放大引起的失真，真实地反映 由检测器所检测到的脉冲信号，就要求 这种前置预放大器具有足够的带宽，从 而保证仪器整体的分辨率和精度不会因 此而受到影响。 一、基本原理 基于上述微弱信号检测特性的要 求，所设计电路必须具备以下性能： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 （1）实现高带宽的信号放大；（2）有 效抑制噪音，具有低漂移特性。本工作 研制了一款微弱信号超低噪音的宽带放 大器，可以实现高速脉冲信号的预放大。 在这里，我们基于 OPA847 芯片，设计 并测试了一款紧凑的微型超低噪音的放 大器模块，整个成本低至数百元，是同 类型产品的 1/10 或更少，很适合普通物 理实验或者研究性实验中自制的宽带预 放大器。目前国内还未有 300MHz 以上 的预放大器的市售产品，而进口同性能 预放大器的价格高至万元以上。因此在 本工作中将宽带指标定在 300MHz，以 满足实验需求。其指标为：总增益 10 倍左右，输入阻抗 50，输出阻抗 50，电源供给 5V。根据设计要求的前 置放大电路原理如图 1 所示。 二、仿真和测试 采用 OPA847 芯片，其单位增益 带宽是 3.9GHz，在增益系为 12 时的平 均闭环带宽为 600MHz，压摆率为 950V/?s（转换速率） ，脉冲建立时间为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 6ns（1%） ，等效输入噪音电压为 0.85nV/Hz1/2，等效输入噪音电流为 2.5pA/Hz1/2。在本放大电路中，引入负 反馈避免输入量的变化及自身等原因引 起的不稳定性，从而保证放大器的稳定 运行。而 OPA847 属于电压反馈型放大 器，输入输出电阻电容的选取和信号端 输入输出端匹配电阻的选取对放大器的 质量至关重要。因此需要对反馈电阻和 输入输出频率利用 NI 公司的仿真模拟 软件 Multisim12 反复进行仿真测试 4-5， 选取一套合理的阻值和电容大小，仿真 原理图如图 2 所示。 在图 2 所 示的同相比例电路中，选取 560 欧姆作 为反馈电阻，其增益系数为 G=1+R1/R2=126。利用 Multisim，同 相输入端加 10mV、100MHz 的微弱正 弦波信号，进行仿真可得输入输出端波 形如图 3 所示，从波形看输入 VPP=20mV，输出 VPP=230mV，输出 输入比例为 11.5，与理论分析得到的增 益系数（12）相符。可见，预放大电路 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 满足设计要求。此外，带宽是放大器的 一项重要参数，如图 4 所示，放大器在 带宽为 5KHz3GHz 和输入 VPP=20mV 的条件下进行了增益测试， 结果表明在增益系数接近 12 的条件下 频带宽度为 100K200MHz。进一步分 析发现，对于 OPA847 芯片，其脉冲建 立时间（1% ）为 6ns，这就决定了其高 频信号的最大带宽不超过 200MHz。但 是对于低重复频率的脉冲信号（本例输 入信号幅度为 V=5mV，频率为 10KHz） ， 由于相邻脉冲间隔远大于 OPA847 芯片 的脉冲建立时间，其工作带宽可以扩展 至更高的频带范围。如图 5 的仿真结果 所示，无论对于边沿为 1ns 的还是 10ns 的方波脉冲信号，其放大系数均能稳定 在 12 倍，并且无明显的失真。因此， 对于低重复频率高速脉冲信号（小于 100MHz） ，本预放大器在增益为 12 的 条件下工作带宽可扩展至 500MHz。 噪音是预放大器的最重要的指标 之一，如何控制和降低噪音，是研制时 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 最为重要和关注的问题。本工作主要采 取两方面措施：（1）选择低噪音器件， 设置合适的反馈电阻。如本工作中选取 极低输入噪音的运放 OPA847，其输入 噪音低至 0.85nV/Hz1/2。 （ 2）采用大面 积敷铜电路板，保证对所有输入、输出、 电源连接器实行良好的接地。所有的元 件采用N 片形式，均匀分布，连线尽 量短。这些考虑对降低电荷预放大器的 噪音取得了明显的效果。 整个电路板封装在一个铝制方盒 中（67 毫米53 毫米12 毫米） ，信号 输入和信号输出采用射频 SMA 接口， 并直接固定在铝盒侧面，实物图如图 6 所示。经过仿真模拟和测试，本工作所 设计的预放大器带宽可高至 500MHz。 实验中对溴氟苯的共振增强光子电离质 谱输出信号进行了测试，如图 7（a）所 示未经放大前的信号高度仅为2mV， 上升沿为 10ns 左右，经过放大后的信 号如图 7（b）所示，信号高度达 到30mV，信号增益为 15，基本符合 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 设计的增益指标（12X） 。更重要的是， 高频噪音得到抑制，图 7（b）基线更