一种宽频带低噪声测量放大器的设计

焦海波; 解鹏飞; 王家恒; 何荣昌

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0298

一种宽频带低噪声测量放大器的设计

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0298

杭州应用声学研究所，杭州 311400

基金项目: 国家重点研发计划（2016YFF0200905）。

详细信息

作者简介:
焦海波（1986-），杭州应用声学研究所工程师，研究方向：水声测试仪表研究，邮箱：sinahouse@foxmail.com

中图分类号: TB95
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出版历程
- 收稿日期: 2023-11-20
- 录用日期: 2023-12-12
- 修回日期: 2023-12-13
- 网络出版日期: 2023-12-16
- 刊出日期: 2023-11-18

Design of a Broadband Low-Noise Measurement Amplifier

Hangzhou Applied Acoustics Research Institute, Hangzhou 311400, China

摘要

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。
- 计量学 /
- 信号调理 /
- 放大模块 /
- 频率特性 /
- 线性度 /
- 低噪声
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.
- metrology /
- signal conditioning /
- amplification module /
- frequency characteristics /
- linearity /
- low noise

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图 1 运放降噪电路图

Figure 1. Noise reduction circuit diagram of the operational amplifier

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图 2 LC滤波电路图

Figure 2. Schematic of the LC filter circuit

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图 3 LC滤波仿真图

Figure 3. Simulation diagram of the LC filter

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图 4 测量放大器机壳

Figure 4. Housing of the measurement amplifier

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图 5 系统接地示意图

Figure 5. Schematic diagram of system grounding

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图 6 测量放大器组成图

Figure 6. Structural composition of the measurement amplifier

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图 7 前置放大电路

Figure 7. Pre-amplification circuit layout

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图 8 前级放大模块电路

Figure 8. Pre-amplifier module circuit

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图 9 后级放大模块电路

Figure 9. Post-amplifier module circuit

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图 10 测量放大器实物

Figure 10. Physical design of the measurement amplifier

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图 11 测量放大器电路框图

Figure 11. Block diagram of the measurement amplifier circuit

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图 12 频率响应测试数据对比图

Figure 12. Comparative chart of frequency response test data

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图 13 1 kHz点前级增益误差对比图

Figure 13. Comparative diagram of front-stage gain error at 1 kHz

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图 14 1 kHz点后级增益误差对比图

Figure 14. Comparative diagram of rear-stage gain error at 1 kHz

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图 15 等效输入噪声测试数据对比图

Figure 15. Comparative chart of equivalent input noise test data

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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

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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

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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/dB
0.001	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

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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）/dB
0.001	−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

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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

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