樊尚春，陶泽辉，邢维巍

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)

随着微电子技术尤其是MEMS微传感器技术在智能仪表等电子设备中的应用，传感器的输出信号越来越微弱，并伴随着大量的内外部电磁干扰。提高检测信号的精度的一个重要措施就是采用抗强干扰的低噪声前置放大器。为使放大器的噪声系数达到最小值，最好的方法就是改变呈现在放大器输入端传感器的阻抗大小[1]。常见的噪声匹配方法除变压器法外，还有电阻法、有源器件级联法以及负反馈电路法等，但是以上方法在实际应用中有着明显的缺点[2]，而采用变压器则可以简单有效地达到这样的效果[3]。

通常由铁氧体等材料制作的变压器的线圈和铁芯会产生较大的损耗，并会带来大量干扰[4－5]，使得整体噪声系数情况变坏，且体积较大，效率较低。随着软磁材料的发展尤其是非晶超微晶等软磁材料的发展[6－9]，上述问题就可以得到较好地解决[10－11]。

本文通过对不同类型软磁材料特性的进行分析测试，设计了一种基于VAC500F超微晶合金的噪声匹配变压器，其较高的性能使传感器前置放大器的噪声性能达到一个较高的水平。

1 放大器最佳噪声匹配分析

任何一个放大器内部都会有噪声源，而前置放大器的噪声主要由有源器件引起。放大器噪声特性通常采用噪声系数来衡量，大小等于输出信号信噪比与输入信号信噪比之比，噪声系数和呈现在前置放大器输入端的传感器阻抗紧密相关。

图1 放大器噪声模型

传感器及前置放大器的噪声模型可简化如图1所示电路，其中Es为传感器的输出信号，Rs为传感器的输出阻抗，4kTRsΔf为传感器输出阻抗的噪声，En为放大器等效噪声电压源，In为放大器等效噪声电流源。

放大器噪声系数可以表示为:

通过调整变压比n使Rso=n2Rs，则可使放大器的达到最佳噪声匹配，且不会增加源阻抗大小。此时放大器达到最小噪声系数，为

图2所示为一放大器噪声系数等值曲线图。在1 k～100 kHz频带范围内，传感器的阻抗若从100 Ω匹配为100 kΩ，则放大器输出信号的信噪比将有超过20 dB的改善，这对于检测输出信号微弱的传感器是极大的提高。

图2 放大器噪声系数等值曲线图

虽然变压器的线圈和铁芯会有损耗电阻，使得信噪比和整体噪声系数情况变坏，体积较大等不利因素。但随着软磁材料尤其是超微晶合金材料的发展和进步，其超高磁导率和极低的矫顽力、矩形比和铁损使得变压器性能已经有大幅度的提高，此外超微晶合金的磁滞伸缩效应更低，其输出信号受影响更小，在信号频率较高时可及为有效地改善电路系统的噪声系数。

2 匹配变压器特性分析

2．1 匹配变压器材料特性分析与测试

磁芯材料是决定匹配变压器特性的最主要因素，下面将通过对不同材料的磁导率、矫顽力、铁损、矩形比、工作磁感应强度等方面对信号进行分析和测试。

图3所示为普通铁氧体材料和500F超微晶材料的磁滞回线对比图。可以看出500F在工作磁感应强度、矫顽力、磁导率等指标上远优于普通铁氧体，其参数对比如表1所示。经计算和测试可知:同形状磁芯制作的变压器在0．2 T，20 kHz的相同磁场强度下，500F的磁感应强度为PC40铁氧体材料的5．6倍，其磁滞损耗为7%，涡流损耗为5．8%。

图3 磁滞回线对比图

表1 软磁材料参数

软磁材料根据矩形比的不同分为普通(R型)、矩形(Z型)、扁平型(F型)三类，所制作的变压器输出信号谐波也因材料矩形比而不同。表2给出了三种不同矩形比软磁材料在10 kHz、3 mA/m的磁场强度条件下2、3次谐波通过频谱分析仪2390A的测试结果，其中6025Z为钴基非晶合金。可以看出软磁材料矩形比越低，其励磁曲线线性度越高，输出信号的谐波失真越小。

表2 软磁材料谐波对比

通常软磁材料的相对磁导率会随着磁场强度，频率以及温度等参数变化，导致励磁电流和感应电动势不呈为线形关系，而产生谐波。根据测试结果可以发现，矩形比越低的软磁材料，即F型磁滞回线的相对磁导率变化就越小，其谐波也越低。此外磁致伸缩效应会导致铁氧体等普通软磁材料输出信号产生谐波，而超微晶材料几乎不存在磁致伸缩效应。

通过对比和测试可知:高磁导率、低矫顽力和低矩形比的500F软磁材料制作的匹配变压器在损耗、信号失真以及体积重量上有着普通软磁材料不可比拟的优势，在改善电路系统的噪声系数有着更明显的效果。

2．2 匹配变压器特性分析和设计

由于阻抗匹配变压器的匹配效果并非是理想的，因而在实际设计中应当对其特性分高低频分别进行讨论[12]。

变压器低频等效电路如图4所示。若变压比为1∶n，传输效率为η，则线圈匝数比应当为，其中Rs为源阻抗，r1为初次级线圈铜阻，Lm为初级线圈电感量，rc为铁损等效电阻为负载R'映射到初级的阻抗为次级线圈铜阻映射到初级的阻抗。考虑到负载R非常大，将线圈铜阻计入源阻抗及负载，其传递函数为:

图4 变压器低频等效电路

变压器高频端等效电路如图5所示，其中Ls1为初级漏感为次级线圈电容等效到初级的电容。同样考虑到R非常大，其传递函数可写为:

图5 变压器高频等效电路

主要影响量包括了 Ls1和C2，应当分别讨论。当Ls1影响较大时，其高频－3 dB截止频率为fH=R/2πLs1;当C2影响较大时，其高频－3 dB截止频率为 fH=1/2πRC2。

由上述分析可知，较好的低频响应就需要变压器有更多的线圈匝数和更小的铜阻和铁损，但过多的线圈匝数会导致漏感和分布电容等寄生参数的增加，使高频频响变差。而有着高磁导率、高电阻率和低矫顽力特性的500 F可以在更少的线圈匝数情况下达到同样的电感量，并能显著减小铜阻、分布电容以及铁损，可较好地解决上述的问题。

3 噪声匹配变压器实验验证

噪声匹配变压器实验方法如图6所示，通过对无变压器、PC40及500F制作的变压器输出信号的信噪比的对比来进行验证，采用安捷伦34401A数字万用表测量输出信号来计算信噪比。

图6 实验方法框图

某谐振式传感器采用PGA103作为前置放大器，源阻抗Rs为40 Ω，输出信号频率为22～24 kHz，查芯片手册可知在该工作频率100倍放大倍数下等效输入噪声谱密度为，则最佳源阻抗为Rso=36．8 kΩ，匹配变压器的变压比为。

在制作匹配变压器时，首先应对初级电感量需求进行分析，在20 kHz截止频率条件下，匹配变压器初级电感量应为318 μH。考虑到损耗，线圈匝数有适当增加。此外匹配变压器工作中还应当有比较完善的屏蔽措施。

图7 噪声匹配变压器对比

表3 变压器参数对比

当输入信号为100 μV时初级线圈会产生大约2 μA的励磁电流，500F与PC40的工作磁场强度分别为 2．235 μA/cm 和 2．286 μA/cm。经计算可得出涡流损耗分别为3．31 pW和0．77 pW;磁滞损耗分别为19．2 pW和119 pW，在损耗方面500F有着较为明显的优势。

当传感器输出的电压幅度为50 μV时，无变压器时输出信号信噪比为41．5 dB，采用PC40制作的变压器为55．4 dB，而采用500F制作的变压器为60．1 dB，有着更为明显的提高。此外500F材料的体积和质量也有着更大的优势。

由于500F极低的矩形比使得其励磁曲线线性度更高，输出信号的谐波比 PC40低了约20 dB，总谐波失真更小。此外由于500F与PC40的初级漏感分别为 0．97 μH 和 7．17 μH，次级分布电容分别4．13 pF和51．8 pF，500F的带宽可达到 PC40的7倍以上。

4 结论

本文提出了采用F型磁滞回线的500F超微晶合金制作噪声匹配变压器的方法，其高磁导率和极低的矫顽力、矩形比及铁损，体积小、重量轻等特性可更加适合用于制作噪声匹配变压器变压器。试验结果表明，500F低于0．1%的总谐波失真，18．6 dB的信噪改善比以及较高带宽和低损耗的性能比普通软磁材料有着明显的提高，在改善传感器信号检测方面有着更为实用的价值。

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