Design of a Broadband Low-Noise Measurement Amplifier
-
摘要: 以信号调理技术为基础,设计了一款宽频带低噪声水声通用测量放大器,该测量放大器作为水听器的第一级测量放大器,可以对水声微弱信号进行放大,提高水声信号的测量信噪比,对后级滤波和接收处理起到重要的作用。测量放大器使用孪生JFET场效应管作为输入前级,实现阻抗变换的同时大大降低由于JFET差异性造成的偏置噪声。通过多级串联实现高增益放大,其最大增益110 dB,增益动态范围−30~110 dB,工作带宽为1 Hz~200 kHz,等效输入噪声小于5 nV/√Hz,并可通过RS232总线对增益档位进行控制。测量放大器具有增益档位灵活可调、频带宽、噪声低、线性度高及通用性强等的特点。通过与国外同类型测量放大器进行测试比对,测试结果表明,该测量放大器满足设计技术指标要求,与国外同类型仪器性能相当,并在实际工作应用中取得了良好的效果。Abstract: This paper presents the design of a broadband, low-noise underwater acoustic general-purpose measurement amplifier, based on signal conditioning technology. Serving as the primary stage amplifier for hydrophones, it amplifies weak underwater acoustic signals, thereby enhancing the signal-to-noise ratio essential for subsequent filtering and processing stages. The design features twin JFET field-effect transistors in the input stage to optimize impedance conversion and minimize bias noise. The amplifier boasts a high gain capability, with a maximum of 110 dB, a dynamic gain range of −30 to 110 dB, operating bandwidth from 1 Hz to 200 kHz, and equivalent input noise below 5 nV/√Hz. Gain levels can be controlled via an RS232 bus. Key attributes include adjustable gain stages, broad bandwidth, low noise, high linearity, and versatility. Comparative tests with similar foreign amplifiers confirm that this design fulfills technical specifications, delivering performance on par with international counterparts and demonstrating efficacy in practical applications.
-
Key words:
- metrology /
- signal conditioning /
- amplification module /
- frequency characteristics /
- linearity /
- low noise
-
表 1 前级增益档位切换关系表
Table 1. Table of front-stage gain setting relationships
总增益/dB A B 增益/dB C D E U1/dB F U2/dB G U3/dB 50 1 1 0 1 0 1 25 1 15 1 10 40 1 1 0 1 0 1 25 1 15 0 0 30 1 1 0 1 0 1 25 0 5 0 0 20 1 1 0 0 1 1 15 0 5 0 0 10 1 1 0 1 1 0 5 0 5 0 0 0 0 1 -20 0 1 1 15 0 5 0 0 -10 0 1 -20 1 1 0 5 0 5 0 0 -20 0 0 -40 0 1 1 15 0 5 0 0 -30 0 0 -40 1 1 0 5 0 5 0 0 表 2 后级增益档位切换关系表
Table 2. Table of post-stage gain setting relationships
总增益/dB A B C U4/dB D E U5/dB F U6/dB 50 1 1 1 0 1 25 15 1 10 40 1 1 1 0 1 25 15 0 0 30 1 1 1 0 1 25 5 0 0 20 1 1 0 1 1 15 5 0 0 10 1 1 1 1 0 5 5 0 0 0 0 1 0 1 1 15 5 0 0 表 3 频率响应测试数据
Table 3. Frequency response test data
频率/
kHz输入信号
幅度/mV输出信号
幅度/mV输出信号
幅度/dB增益误
差/dB0.001 10 950.2 39.6 0.44 0.01 10 992.2 39.9 0.11 0.1 10 993.1 39.9 0.11 1 10 996.8 40.0 0.00 10 10 990.5 39.9 0.13 100 10 976.4 39.8 0.23 200 10 949.8 39.6 0.45 表 4 增益测试数据
Table 4. Gain test data
频率/
kHz增益档
位/dB测得增益误差
(前级)/dB测得增益误差
(后级)/dB0.001 −10 −0.02 − 0.001 −30 −0.03 − 0.001 0 0.00 0.00 0.001 10 0.00 −0.00 0.001 30 −0.01 −0.03 0.001 50 0.03 0.00 1 −10 0.01 − 1 −30 −0.03 − 1 10 0.00 −0.01 1 30 0.00 0.00 1 50 −0.01 −0.02 200 −10 0.02 − 200 −30 0.02 − 200 10 0.00 0.00 200 30 −0.04 −0.02 200 50 −0.03 −0.04 表 5 等效输入噪声测试数据
Table 5. Testing data of equivalent input noise
频率/kHz 放大器输出噪声µV/√Hz 等效输入噪声nV/√Hz 0.001 3760.0 37.60 1 213.1 2.131 70 414.5 4.145 100 471.3 4.713 200 478.6 4.786 -
[1] 朱玉琼, 杨红, 胡爽策. 基于声波的通信实验系统集成[J]. 装备制造技术, 2017(3): 264-266. [2] 曹学明, 俎栋林, 赵旭娜, 等. MRI低噪声前置放大器设计研究[J]. 中国科学:技术科学, 2011, 41(8): 1101-1105. [3] 邱贺, 段永红. 用于感应式磁传感低噪声前置放大器的研制[J]. 仪表技术与传感器, 2015(1): 22-24. [4] 王立伟, 蔡奇, 肖荛, 等. 生物肌电信号前置放大器的研制[J]. 电子测量技术, 2011, 34(4): 53-55. [5] 张石锐, 郑文刚, 黄丹枫, 等. 微弱信号监测的前置放大电路设计[J]. 微计算机信息, 2009, 25(23): 223-224. [6] 郭玉, 鲁永康, 陈毅. 分立元件设计的低噪声前置放大器实用电路[J]. 电子器件, 2005(4): 796-797. [7] 万沛霖, 李山, 肖蕙蕙, 等. 低噪声宽频带弱信号前置测量放大器的研制[J]. 电测与仪表, 2001(9): 25-27. [8] 徐航, 许立雄, 吴海洋. 基于双Sallen-Key型串联宽带通滤波电路幅频实验教学研究[J]. 实验科学与技术, 2020, 18(6): 86-90. [9] 程华, 陈科君, 王旭光. 低噪声水声信号前置放大器设计[J]. 湖北大学学报, 2024, 46(2): 1-7. [10] 候旭玮, 游立, 孙文, 等. 精密测试仪器机箱电磁屏蔽分析与设计[J]. 军民两用技术与产品, 2021, 454(8): 53-58. [11] 马淑欣. 杨潞霞. 韩丙辰, 等. 水声信号处理中的高阶有源带通滤波电路设计[J]. 湖北大学学报, 2023, 45(4): 593-599. [12] 黄强, 雷开卓, 杨海波, 等. 低噪声超宽带直流放大器[J]. 计算机工程与应用, 2011, 47(8S): 357-361. [13] Rrobert T Payater. 电子器件[M]. 北京: 科学出版社, 2007. [14] 张淑琴, 李雅琴, 康晓涛. 一种高性能低噪声宽带放大器[J]. 数据采集与处理, 1995, A01: 58. [15] 张孟文, 金玉丰. 用于甚低频无线通信的一种低噪声放大器设计[J]. 电子技术应用, 2021, 47(1): 46-51. [16] 刘宝衡. 付天晖. 候文达. 一种低频低噪声前置放大器的设计[J]. 电子测量与技术, 2021, 12(6): 1-5. [17] 陈晓娟, 樊欣欣, 吴洁. 低频低噪声测量放大器的设计[J]. 现代电子技术, 2016, 39(10): 116-119. [18] 李一凡, 郭树旭, 郝峰利. 用于检测1/ƒ电噪声的低噪声放大器设计与仿真[J]. 现代电子技术, 2015, 38(4): 80-86. [19] 瞿逢重, 付雁冰, 杨劭坚, 等. 应用于海洋物联网的水声通信技术发展综述[J/OL]. [2023-11-07]. 哈尔滨工程大学学报. [20] 李大为, 吴昊灵. 一种低功耗噪声高共模抑制斩波稳定放大器[J]. 中南名族大学学报, 2022, 41(1): 51-58. [21] 朱艳生, 高勇, 吕乙松, 等. 微弱信号检测的锁相放大电路仿真[J]. 湖南文理学院学报, 2023, 35(1): 20-25. [22] 张华忠, 李世探. 基于数字逻辑电路的音频放大器设计与实现[J]. 现代计算机, 2020, 28(9): 118-120. [23] 张永瑞, 刘振起, 杨永耀. 电子测量技术基础[M]. 西安: 电子科技大学出版社, 1992. [24] 高晋占. 微弱信号检测[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004. [25] Rrobert T Payater. [M]. 电子技术. 第一版. 北京: 科学出版社, 2008. [26] Franco Sr. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M]. 第一版. 西安: 西安交通大学出版社, 2009. [27] 铃木雅臣. 晶体管电路设计[M]. 北京: 科学出版社, 2004. [28] 李家怡, 匡环, 孟春蕾. 噪声系数的测量方法研究[J]. 电子质量, 2019(2): 13-16. [29] 李宗扬. 计量技术基础[M]. 北京: 北京原子能出版社, 2002: 6. [30] 孙爱晶, 党薇, 吉利萍. 通信原理[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013: 12-18.