一种低噪声前置放大器及噪声优化方法 |
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| 申请号 | CN201611194778.6 | 申请日 | 2016-12-20 | 公开(公告)号 | CN106603018A | 公开(公告)日 | 2017-04-26 |
| 申请人 | 重庆邮电大学; | 发明人 | 赵德春; 王露; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种低噪声前置 放大器 及噪声优化方法，属于 信号 处理技术领域。本发明提供的一种低噪声前置放大器包括信号放大 电路 、电源电路、滤波电路；还包括失调调零电路和 温度 补偿电路，接于放大器的输入端；所述失调调零电路包括调零电位器和基准 电压 源，用于补偿放大器的失调电压；所述 温度补偿电路 包括三个运放，其中两个运放具有相同的温度漂移，用于抑制因温度漂移产生的噪声，同时还提供了前置放大器的噪声优化方法。本发明提供的一种低噪声前置放大器及噪声优化方法，有效地解决了小信号放大过程中出现的噪声干扰，温度漂移的问题，同时提高了增益 精度 和系统 稳定性 ，且本前置放大器增益可调，可适用于信号不同增益的需求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种低噪声前置放大器，其特征在于：包括信号放大电路、电源电路、滤波电路；还包括失调调零电路和温度补偿电路，接于放大器的输入端；所述失调调零电路包括调零电位器和基准电压源，用于补偿放大器的失调电压；所述温度补偿电路包括三个运放，其中两个运放具有相同的温度漂移。 |
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| 说明书全文 | 一种低噪声前置放大器及噪声优化方法技术领域背景技术[0003] 现有的前置放大器多采用分立器件设计或集成运放构成。其中分立元件一般为三极管或MOS管，由偏置电路、输入级、中间级和输出级组成，分立元件构成的前置放大器电路结构复杂，调试难度大。而采用集成运放设计的前置放大器一般采用多级运放级联的电路结构，有时会在输入端采用两个运放构成差分输入，采用集成运放构成的前置放大器结构简单，便于调试，但噪声较大，受温度影响大，系统不够稳定。尤其微弱信号放大，微弱信号具有难于检测和易受干扰的特点，要求前置放大器必须具有低噪声、低温漂、高精度和高增益的特性，现有的放大器增益较小，抗干扰能力弱，温度漂移大，不能满足需求。 发明内容[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低噪声前置放大器及噪声优化方法，用于解决在小信号放大过程中出现的噪声干扰，温度漂移的问题。 [0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案： [0006] 一种低噪声前置放大器，包括信号放大电路、电源电路、滤波电路；还包括失调调零电路和温度补偿电路，接于放大器的输入端；所述失调调零电路包括调零电位器和基准电压源，用于补偿放大器的失调电压；所述温度补偿电路包括三个运放，其中两个运放具有相同的温度漂移。 [0007] 进一步，所述信号放大电路包括多级级联的运放，每级的运放均采用同向负反馈放大结构。 [0009] 进一步，所述参数控制模块包括增益参数控制电路和增益精度控制电路；所述增益参数控制电路包括继电器、运放单元、手动开关、数字I/O控制接口；所述增益精度控制电路包括继电器、电位器、反馈回路、电压跟随器。 [0010] 进一步，所述前置放大器还包括滤波电路，所述滤波电路包括RC一阶滤波电路，RC二阶滤波电路。 [0011] 进一步，所述电源电路包括数字电源电路和模拟电源电路，所述数字电源电路用于为增益控制电路提供电源，所述模拟电源电路用于为前置放大器提供电源。 [0012] 一种前置放大器的噪声优化方法，在放大器的输入端设置失调调零电路和温度补偿电路；所述失调调零电路包括调零电位器和基准电压源，通过调整基准电压值和电位器值，保证在输入信号为零的时候，放大器的输出也为零，补偿放大器的失调电压；所述温度补偿电路包括三个运放，其中两个运放具有相同的温度漂移，经温度变化后运放会产生电压噪声，所述电压噪声通过另一个具有相同的温度漂移的运放进行优化。 [0013] 所述方法还包括增益参数控制方法，通过设置增益参数控制电路与信号放大电路连接，所述增益参数控制电路包括继电器、运放单元、手动开关、数字I/O控制接口，通过手动开关或者I/O控制接口控制继电器调节信号放大电路的增益。 [0014] 所述方法还包括增益精度控制方法，通过设置增益精度控制电路与信号放大电路连接，所述增益精度控制电路包括继电器、电位器、反馈回路、电压跟随器，通过调整反馈回路中电位器的值对增益精度进行控制。 [0015] 本发明的有益效果在于：本发明提供的一种低噪声前置放大器及噪声优化方法，具有以下几个有优势： [0016] 1、通过在放大器的输入端设置失调调零电路，补偿运放产生的噪声，所补偿的噪声主要包括运放偏置电压和失调电压。 [0017] 2、通过设置温度补偿电路，用于抵消信号放大模块因温度变化产生的电压漂移，避免了信号因温度变化而产生的失真，使得前置放大器在不同工作温度下也能保持良好的性能。 [0018] 3、通过设置增益参数控制电路，用于调节前置放大器增益的变化范围，放大器增益变化范围广，可适用于不同信号增益要求，I/O接口的引入使得前置放大器可以由上位机远程控制。 [0020] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明： [0021] 图1为本发明所述的低噪声前置放大器原理框图； [0022] 图2为本发明所述前置放大器的增益控制电路图； [0023] 图3为本发明所述前置放大器负反馈电路原理示意图； [0024] 图4为本发明所述温度补偿电路图； [0025] 图5为本发明所述电源电路图； 具体实施方式[0027] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。 [0028] 本发明提供的一种低噪声前置放大器包括信号放大电路、电源电路、滤波电路、失调调零电路、温度补偿电路、参数控制模块。 [0029] 其中，信号放大电路采用级联放大结构，包括第一级运算放大级、第二级运算放大级…第N级运算放大级，每级均采用相同的运放，具有相同的单元电路结构，均是同向负反馈放大电路。 [0030] 电源电路包括数字电源电路和模拟电源电路，数字电源电路产生±12V电源轨，为增益控制电路提供电源，模拟电源电路产生±5V电源轨，为运放提供电源。 [0031] 滤波电路包括RC一阶滤波电路，RC二阶滤波电路，信号通过滤波电路，滤除信号带宽以外的高频噪声。 [0032] 失调调零电路包括调零电位器、基准电压源、通过调整基准电压值和电位器值，补偿运放自身的失调电压，达到减小放大器噪声系数的目的。 [0033] 温度补偿电路包括三个运放，其中两个运放相同，具有相同的温度漂移，另外一个运放组成有源低通滤波器。 [0034] 参数控制模块包括增益参数控制电路、增益精度控制电路。其中增益参数控制电路包括继电器、运放单元、手动开关、数字I/O控制接口，通过手动或数字端口控制继电器，从而控制电路通路，达到控制增益的目的。增益精度控制电路包括继电器、电位器、反馈回路、电压跟随器，通过调整反馈回路中电位器的值，达到精确控制每档增益的目的。 [0035] 前置放大器的电路中，电路内部的噪声主要包括自运放自身产生的失调电压噪声和由温度漂移引起的噪声，针对这两种噪声各自的特点，本发明提供了一种前置放大器的噪声优化方法，采用了两种不同的噪声抑制技术，进而再在电路中加入负反馈回路，使得前置放大器电路噪声进一步降低。 [0036] 一种前置放大器的噪声优化方法，具体为在放大器的输入端设置失调调零电路和温度补偿电路。失调调零电路包括调零电位器和基准电压源。当输入信号为零时，运放有一个输出电压，所述电压为运放产生的噪声电压。运放噪声主要是由输入偏置电流和输入失调电压引起，针对运放的噪声特点，失调调零电路采用通过电位器进行输出电压调零的方式来抑制运放噪声。在运放同向输入端增加一个电位器并由电源提供偏置电压，调整电位器的值，使得在输入信号为零的时候，运放的输出也为零。 [0037] 当温度变化时，运放的输出电压会随温度发生变化，引起输出信号发生偏移，使输出信号变得不稳定。针对运放温度漂移特点，采用了温度补偿技术，根据相同运放的温度漂移特性相同，因温度产生的漂移也相同，通过额外使用一个相同运放，通过这个运放因温度变化产生的漂移量补偿放大电路中运放的温漂。 [0038] 所述方法还包括增益参数控制方法，通过设置增益参数控制电路与信号放大电路连接，所述增益参数控制电路包括继电器、运放单元、手动开关、数字I/O控制接口，通过手动开关或者I/O控制接口控制继电器调节信号放大电路的增益。 [0039] 所述方法还包括增益精度控制方法，通过设置增益精度控制电路与信号放大电路连接，所述增益精度控制电路包括继电器、电位器、反馈回路、电压跟随器，通过调整反馈回路中电位器的值对增益精度进行控制。 [0040] 信号在放大过程中会存在增益，信号带宽等变化因素，使得前置放大器存在增益波动，影响增益精度，为了降低信号波动带来的影响，本发明所述方法采用负反馈技术，在级联放大电路中加入负反馈回路，引入负反馈后，不仅能精确控制放大器增益精度，还能有效抑制电路噪声。 [0041] 实施例 [0042] 前置放大器的结构如图1所示，包括噪声优化电路1，具体包括温度补偿电路和失调调零电路，信号放大电路2，参数控制模块3。 [0043] 其中，信号放大电路2：信号放大电路采用的是级联放大结构，一共分为六级，每级增益是10dB。每级运放均采用同向负反馈放大结构，以提高电路的抗噪声能力和信号放大能力，外围电阻不宜过大，一般取值几十欧到数百欧。 [0044] 增益控制电路3：传统的前置放大器一般为固定增益，适用面较窄。本发明采用了增益控制技术，每级运放增益为固定10dB，通过继电器控制信号放大通路，当信号通过第一个通路时，增益为10dB，当信号通过第二个通路时，信号分压，分压后的信号再经过运放放大，此时信号整体增益为0dB。 [0045] 参数控制模块中包括增益参数控制电路和增益精度控制电路，通过手动开关或者I/O控制端口控制继电器，由继电器选择0dB或者10dB信号通路，从而达到控制增益的目的，通过参数控制单元调整电位器的值，可以使每档增益的精度在0.3dB以内，加入反馈回路使得系统更加稳定，噪声抑制能力更强。 [0046] 图2为增益控制电路图，前置放大器一共分为6个放大级，除第一级外，每一级放大级都由运放和分压电阻以及相应继电器组成，通过控制继电器改变信号通路，当2-3连通时，Vin受到电阻R2、R4分压，放大单元增益为0dB，当4-3连通时，放大单元增益为10dB。该前置放大器增益通过手动开关或I/O口控制，手动控制开关和方式选择开关一起组成单刀多掷的增益开关。当增益开关拨到1时，3-8译码器使能，此时可通过I/O口控制放大器增益，此时的增益调整范围为10～60dB，增益开关拨到2～6时增益分别为20～60dB。 [0047] 在前置放大器设计中，为保证增益的精度，采用了增加负反馈回路的方式，如图3所示，给电路增加了负反馈，不仅提高了增益精度，而且能有效抑制电路噪声，提高系统稳定性。 [0048] 闭环系统总的增益为： [0049] [0050] 其中，α为系统开环增益，β为反馈系数，β由电位器精确调整，由于器件误差和通路变化使得α难以调整，这时可通过调整β值精确调整放大器增益。当增益开关拨到1档，同时让译码器的输出全为零时，此时图3中的第一级放大器的放大倍数α为一固定值，适当调整电位器W6，从而调整反馈系数β的值，将总增益A精确调整至10dB。同理，当增益开关拨到2档时，调整电位器W1将增益调至20dB，这样依次调整电位器W2、W3、W4和W5，保证每档的增益依次为10dB、20dB、30dB、40dB、50dB、60dB。 [0051] 加入负反馈后电路输出信号为： [0052] [0053] 式中，xn为第n个放大节点引入的噪声，αn为系统第n个放大节点开环增益。xn在传输过程中会和前一级传输来的信号一起被放大。若没有负反馈，则该噪声在输出信号中的值为xnαn...α6，引入负反馈后，x2～x6受到从输入到干扰本身进入点之间所具有的正向增益的衰减，xn在输出信号中的值为 而1+α1α2...α6β的值大于1，噪声x1通过第一级放大器的失调和温度补偿进行抑制后已经很小，可以忽略，因此整个前置放大器通过引入负反馈回路，电路噪声得到有效抑制。 [0054] 图4为前置放大器温度补偿电路，图4中的U1与U3是相同的运放，温度漂移系数相同，U1是一个电压跟随器，当温度变时，U1因温度变化产生的电压噪声经过反向放大器U2反向放大后接入U3的同向端，补偿U3及后续电路因温度漂移产生的误差，AD706单元本身是一个反向低通滤波器，会将信号带宽以外的高频噪声滤除，保证接入U3的只是因温度漂移产生的误差信号，且U2具有极低温度漂移，避免了由U2引入额外的噪声。 [0055] 图5为前置放大器电源模块，通过稳压电源为前置放大器提供±15V的电源轨，该电源再经过TA78/9L12F和L78/905CT稳压芯片后分别为数字电路模块和模拟电路模块提供电源。 [0056] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。 |
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