一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，包括：依次耦合连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路；第一级和第三级放大电路均为比例差分放大电路，第二级放大电路为高通滤波差分放大电路；第一级放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一集成运放和第二集成运放；第二级放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容和第三集成运放；第三级放大电路包括第八电阻、第九电阻和第四集成运放；本发明针对海洋传感器输出微弱信号的检测电路存在的缺点，提供一种宽频带、低噪声的放大电路，本放大电路在0.1Hz-10MHz宽频带范围内都能进行纳米级微弱信号的有效放大。
【专利说明】一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微弱信号检测技术，特别涉及一种微弱信号测量的宽频带、低噪 声差分放大电路，该电路可以对电磁式海流计前置传感器输出地微弱信号进行有效放大， 同时也可以用于测量多种传感器材料的频域内本底噪声水平。
【背景技术】
[0002] 目前，在海流测量仪器研发中，电磁式海流计因其采用地磁场作为激发场源，自身 设备无须设计发射源，使得前端探头较为轻便。相对于其它海流测量设备更加快速、便捷， 适合于多种海洋环境下的参数测量。如文献：张启升等在《地球物理学报》2013年第56 (11) 卷3699-3707页发表的文章《投弃式海流电场剖面仪研制》，由于海水运动切割地磁场所产 生的电场幅度十分微弱，精度在lcm/s海流计所产生的信号是纳伏级（nV)，噪声不应大于 50nV。一般的前置放大器不能实现对预期的微弱信号进行不同频率下无放大器噪声干扰的 有效放大。因此，必须制作一种微弱信号测量的宽频带、低噪声放大电路。
[0003] 目前，薄膜导电材料由于其性能稳定、易于集成、噪声较低，在海洋传感器中的应 用越来越广泛。薄膜导电材料的本底噪声水平是制约器件灵敏度与检测精度的一个关键 参数，直接决定了传感器的信噪比（S/N)。如文献：吴勇等在《电子元件与材料》2006年第 25 (1)卷55-65页发表的文章《镍铬薄膜电阻器噪声特性研究》，该类型薄膜电阻器在3mA电 流条件下，IHz处的Ι/f噪声为1X10_ 14V2/Hz，大于IOOHz后的白噪声为6X10_17V2/Hz。因 此，必须制作一种放大电路在相应频率下的噪声水平应该低于材料的本底噪声，才能对该 类型薄膜材料的噪声信号进行有效测量。
【发明内容】
[0004] 本发明主要针对海洋传感器输出微弱信号的检测电路存在频带窄、噪声高的缺 点，提供一种宽频带、低噪声的放大电路，本放大电路在0. ΙΗζ-ΙΟΜΗζ宽频带范围内都能进 行纳米级（nV)微弱信号的有效放大，而且自身噪声水平较低。
[0005] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
[0006] -种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，包括：第一级放大电路、第二级 放大电路和第三级放大电路；上述三个放大电路依次耦合连接，所述第一级和第三级放大 电路均为比例差分放大电路，所述第二级放大电路为高通滤波差分放大电路；其中：
[0007] 所述第一级放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一集成运放和第二集 成运放；所述第二电阻连接于第一集成运放的正相端和引出端之间；所述第三电阻连接于 第二集成运放的负相端和引出端之间；所述第一电阻连接于第一集成运放的正相端和第二 集成运放的负相端之间；所述第一集成运放的负相端为信号输入端，所述第二集成运放的 正相端接地；
[0008] 所述第二级放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第 二电容和第三集成运放；所述第一集成运放的引出端依次通过第一电容、第四电阻与第三 集成运放的负相端连接；所述第二集成运放的引出端依次通过第二电容、第五电阻与第三 集成运放的正相端连接；所述第六电阻连接于第三集成运放的负相端和引出端之间；所述 第三集成运放的正相端通过第七电阻接地；
[0009] 所述第三级放大电路包括第八电阻、第九电阻和第四集成运放；所述第三集成运 放的引出端与第四集成运放的正相端连接；所述第四集成运放的负相端通过第九电阻与第 四集成运放的引出端连接；所述第四集成运放的负相端通过第八电阻接地；所述第四集成 运放的引出端为信号的输出端。
[0010] 本发明还可以采用如下技术措施：
[0011] 进一步：所述第一电阻的阻值为100Ω，第二电阻阻值为500Ω，第三电阻的阻值 为 500 Ω。
[0012] 更进一步：所述第一电容的电容值为10(^?，第二电容的电容值为10(^?，第四 电阻的阻值为2ΚΩ，第五电阻的阻值为2ΚΩ，第六电阻的阻值为20ΚΩ、第七电阻的阻值为 20ΚΩ。
[0013] 更进一步：所述第八电阻的阻值为IK Ω，第九电阻的阻值为IOK Ω。
[0014] 更进一步：所述第一电容与第四电阻组成第三集成运放负相端的高通滤波器，第 二电容与第五电阻组成第三集成运放正相端的高通滤波器，所述高通滤波器的计算公式 为：
【权利要求】
1. 一种微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于：包括：第一级放大 电路、第二级放大电路和第三级放大电路；上述三个放大电路依次耦合连接，所述第一级和 第三级放大电路均为比例差分放大电路，所述第二级放大电路为高通滤波差分放大电路； 其中： 所述第一级放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一集成运放和第二集成运 放；所述第二电阻连接于第一集成运放的正相端和引出端之间；所述第三电阻连接于第二 集成运放的负相端和引出端之间；所述第一电阻连接于第一集成运放的正相端和第二集成 运放的负相端之间；所述第一集成运放的负相端为信号输入端，所述第二集成运放的正相 端接地； 所述第二级放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电 容和第三集成运放；所述第一集成运放的引出端依次通过第一电容、第四电阻与第三集成 运放的负相端连接；所述第二集成运放的引出端依次通过第二电容、第五电阻与第三集成 运放的正相端连接；所述第六电阻连接于第三集成运放的负相端和引出端之间；所述第三 集成运放的正相端通过第七电阻接地； 所述第三级放大电路包括第八电阻、第九电阻和第四集成运放；所述第三集成运放的 引出端与第四集成运放的正相端连接；所述第四集成运放的负相端通过第九电阻与第四集 成运放的引出端连接；所述第四集成运放的负相端通过第八电阻接地；所述第四集成运放 的引出端为信号的输出端。
2. 根据权利要求1所述微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于：所 述第一电阻的阻值为100Ω，第二电阻阻值为500Ω，第三电阻的阻值为500Ω。
3. 根据权利要求2所述微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于：所 述第一电容的电容值为100μF，第二电容的电容值为100μF，第四电阻的阻值为2ΚΩ，第 五电阻的阻值为2ΚΩ，第六电阻的阻值为20ΚΩ、第七电阻的阻值为20ΚΩ。
4. 根据权利要求3所述微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于：所 述第八电阻的阻值为IKΩ，第九电阻的阻值为IOKΩ。
5. 根据权利要求4所述微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于：所 述第一电容与第四电阻组成第三集成运放负相端的高通滤波器，第二电容与第五电阻组成 第三集成运放正相端的高通滤波器，所述高通滤波器的计算公式为： AI4C1， 其中R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值，Cl为第一电容的电容值，C2为第二 电容的电容值，f为频率，j为复数的虚部单位，R4C1 =R5C2 = 0. 20为时间常数； 所述高通滤波器截止频率fc的值为0. 80Hz，计算公式为： ,_丨_1 'IitRiCi 2π^(\
6. 根据权利要求5所述微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于： 在频带为ΙΟΗζ-ΙΟΜΗζ范围内，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入白噪声功率谱密度 d(/)为3. 12X10_18V2/Hz，在频率为IHz时，所述宽频带低噪声差分放大电路的输入1/f 噪声功率谱密度<",(/)为I. 35X1(Γ17ν2/Ηζ;所述宽频带低噪声差分放大电路的噪声水平 主要由第一级差分放大电路的噪声决定，其计算公式为：
其中4"(/)为第一集成运放的电压噪声功率谱密度，A12(Z)为第二集成运放的电压噪 声功率谱密度，<(/)为第一电阻（R1)的等效电压功率谱密度，'2(/)为第二电阻的等效 电压功率谱密度，^4(/)为第三电阻的等效电压功率谱密度；Rl为第一电阻的阻值，R2为第 二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值。
7.根据权利要求6所述微弱信号测量的宽频带低噪声差分放大电路，其特征在于：所 述第一集成运放、第二集成运放、第三集成运放、第四集成运放均为宽频带、高精密、低温 漂、低噪声的双极场效应管运算放大器AD797,当频率处于ΙΟΟΗζ-ΙΟΜΗζ范围内，白噪声功 率谱密度为8.IOX1(T19V2/Hz，当频率为IHz时，Ι/f噪声功率谱密度为6. 76XKT19VVHz;所 述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第 九电阻均为高精度密封金属膜固定电阻器；所述第一电容和第二电容均为铝电解电容器。
【文档编号】H03F1/26GK104320092SQ201410659703
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】吴晟, 梁津津, 刘宁 申请人:国家海洋技术中心