陈龙娇，赵继敏

(上海交通大学电气工程系，上海　200240)

0　引言

在一些敏感元件或小电阻率器件的检测过程中，由于测试电流不能过大，许多参数的测量最终都要归结为直流低电压信号的测量。低电压信号是微弱信号，微弱信号检测技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比[1]。由于低电压信号幅值很小，需要对信号进行低噪声放大处理后才可以测量，所以采用调制解调放大原理，针对温漂和噪声抑制等问题，设计了一种低噪声的直流放大电路，测量误差在0．1 μV以内。

1　工作原理

直流放大器的基本原理框图如图1所示，低电压信号Ui通过传感器获得，由低噪声调制电路(MOS-FET斩波管)将直流输入电压信号变换成交流信号，经过输入变压器隔离并升压实现无源电压放大，再由交流放大器高倍率放大已调信号，然后通过同步解调电路，将放大了的交流信号相敏解调复原成直流信号，低噪声滤除波纹后输出放大后的直流信号Uo．整个放大电路还要通过精密电阻构成的反馈网络进行反馈闭环，稳定工作点并优化输出波形。

图1　直流放大器原理图

2　放大电路设计

2．1调制波电路

调制波方波发生器电路如图2所示，三极管使用超高频NPN型半导体三极管3DK2B。图中T2、T3构成多谐振荡器，振荡频率约为400 Hz。

图2　调制波方波发生器

由于电容的积分效应，会造成输出方波的前后沿较大，所以加入T1、T4对输出方波整形放大，从二者集电极取出较为理想的方波分别控制调制器和解调器动作。

2．2调制解调放大电路

由于测量的电压信号非常低，斩波后得到的交流信号幅值没有变化，依然很小，直接进行有源放大的话引入的输入噪声将远高于测量信号，所以必须采用输入变压器先放大交流信号，再进行下一步有源放大。

通过引入输入变压器升压并耦合至交流放大电路，实现了无源电压放大，无源电压放大要比有源电压放大引入的噪声电压小的多，因而提高了输入电压信号的信噪比；同时由于调制斩波的作用将原来的低频信号变为高频信号，降低了1/f噪声(低频噪声)的干扰。可见调制解调放大器可以实现低噪声电压放大[2]。

场效应管有2种。绝缘栅型场效应管(MOSFET)具有低噪声，高输入阻抗，低电平驱动，跨导高度线性，稳定性好等特点；宜作阻抗变换器和调制器。结型场效应管(J-FET)具有低噪声，温度特性好，输入阻抗较高等特点；宜作放大器输入级。文中选用MOSFET作为斩波管。

当栅极G加上调制方波正半周时，管子导通，此时VGS=0，ID=0，管子导通时无残余电压，导通电阻Ron=1/gm．

(1)

式中：gm为场效应管跨导；VP为夹断电压；IDSS为VDS=0时饱和漏电流。

由式(1)可得，跨导由IDSS、VP决定，要Ron小就应选择IDSS大、VP小的管子。根据国内器件的实际水平，提出Ron在150 Ω左右[3]。

调制解调放大电路如图3所示，其中T1、T6选用MOSFET斩波管GK32，T2～T5选用J-FET管3DK2B，直接耦合连接，防止交流信号相移。工作过程：直流低电压经斩波器T1变换成交流电压，通过输入变压器(变比n=100)升压后进行交流放大(T2～T5作用)，放大倍数为1．5×105。然后经T6相敏解调后滤波输出，复原成直流信号。R1、R7、R8构成交直流负反馈网络，选用精密电阻，以达到稳定工作点并优化输出波形；R2和C1的作用是矫正频率，可防止振荡；R13和C3的作用是去耦滤波，可防止源电阻引起的振荡。输入变压器要进行屏蔽措施防止电磁场干扰。

图3　调制解调放大电路

3　设计中的主要问题

3．1放大器

放大器在理想状态下，其输入和输出关系是：Uo=-G·Ui，但实际上无法实现，对应的关系应为：

Uo=-G(ω)·(Ui+ud+uδ)

(2)

式中：G(ω)为随频率变化的放大增益；(ud+uδ)为等值不稳定的电位输入；ud为固定分量；uδ为变化分量。

由式(2)可见，实际应用中，要引入正确的反馈网络稳定系统防止振荡，还要进行调零来补偿ud引入的电位差，而uδ即为漂移，则比较难补偿，需要通过合理的电路设计和严格的器件选择来克服，文中选用高性能的场效应管，通过串并联方式有效地降低了漂移量。

另外，还应采取一些屏蔽措施来有效地抑制噪声和干扰，外界干扰主要来自2个方面：一是空间电磁干扰；另一个是电网50 Hz干扰。为减小空间干扰，放大器被双层屏蔽；为避免50 Hz干扰，放大器用电池组供电[4]。

3．2信号源阻抗及系统干扰

微弱信号对外界干扰是相当敏感的。由图4所示，由于干扰信号产生的电流II将流过信号内阻抗，产生干扰电压迭加在被测信号上，从而影响测量准确度，干扰信号的幅度将直接与信号源阻抗Z成正比。[5]此时，放大器输入信号Ui为：

Ui=EN+ZII

式中EN为被测信号幅度。

可见信号源内阻抗Z越低，由干扰电流引入的影响则越小，因此低的信号源内阻能够减弱干扰对测量的影响。同时，本设计中使用RC滤波器去耦滤波，防止信号源阻抗引起的振荡，使系统更好地工作。

图4　信号源阻抗改善减少系统干扰

3．3约翰逊噪声(JohnsonNoise)

在电子测量中，分辨率的最终极限是由约翰逊噪声或者热噪声来决定的，所有的电压源都具有内阻，都会产生约翰逊噪声[6]。

噪声电压与温度、噪声带宽和源电阻有关，金属电阻产生的噪声电压为：

(3)

式中：V为源电阻上产生的噪声电压有效值；k为波尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T为源的绝对温度；B为噪声带宽；R为源电阻。

放大电路输入端的噪声主要是由反馈环节的电阻引起，Rfeedback=1.5 MΩ，将测量室温T=300 K，B=0.1 Hz代入式(3)，得约翰逊噪声V≈4.71×10-8V，折算到输入端噪声约为0.5 nV，可满足要求。

4　性能仿真

仿真条件：输入1 μV阶跃信号来模拟传感器获得的直流低压信号，加入均方差为20 μV的白噪声信号来模拟干扰噪声。仿真结果：仿真时长为20 s的输出曲线如图5所示，仿真时长为30 min的输出曲线如图6所示。

图5　50 nV输入时的40 s输出曲线

结果分析：该直流放大电路测量稳定时间约为2 s，测量误差维持在0．06 μV以内，达到灵敏度0．1 μV要求。

5　结束语

文中设计了一种低电平信号的直流放大电路，采用场效应管低噪音调制放大低电平信号，同步解调后滤波输出，通过仿真实现低电平测量，结果显示灵敏度能达到10 nV．分析了电路设计中的一些主要问题并提出相应解决措施，提高系统稳定性和测量性能。

图6　50 nV输入时的30 min输出曲线

参考文献：

[1]章克来，朱海明．微弱信号检测技术．航空电子技术，2009 (2)：30-36．

[2]郝新超．数字直流纳伏表关键技术研究：[学位论文]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007．

[3]高纪泽，郭鲤．0．01μV高灵敏度直流放大器．电测与仪表，1982 (8)：1-7．

[4]吴文全，叶晓慧．μΩ级小电阻测量方法研究．电测与仪表，2003 (11)：26-28．

[5]潘光兴．低电平测量中干扰的消除．电测与仪表，1982(7)：40-43．

[6]Keithley Instruments，Inc．Low Level Measurements Handbook．USA，2004．

赵继敏(1964-)，副教授，从事电机驱动与控制等方面研究。