一种低噪声前置放大器的设计

一种低噪声前置放大器的设计

在检测微信号时，低噪声预响应器是不可或缺的部件。尽管目前有多种低噪声集成运算放大器可供选择,但通常其低噪声特性劣于用分立元件构成的前置放大器。故我们选用分立元件设计制作成一款超低噪声的前置放大器。1硬件设计要点根据需要,由于待测信号源内阻较低,故选用双极型晶体管设计。本电路源于文献,但作了部分改进,减少了建立工作点的时间,增大了最大不失真输出电压。据文献,我们选用相似的电路,仅将NPN型的9018改为PNP型超β低噪声晶体管。电路如图1所示。就电路的整体结构来看,这是一款三个晶体管组成的直接耦合的电压串联负反馈放大器,其电压放大倍数Ku为:Ku=Re3/Re1+1(1)图1中Re1与Re3分别选配为1kΩ和9kΩ,则电路的电压放大倍数设计为10.0倍。电路在无反馈条件下,T1、T2均起到放大作用,可视为两级级联放大器,其总噪声系数F由弗里斯公式确定:F=F1+F2+1Κ1(2)F=F1+F2+1K1(2)式中:K1为第一级放大倍数,F1为第一级的噪声系数,可见降低第一级的噪声系数F1和增加第一级的放大倍数K1至关重要。(1)选择PNP型的晶体管,因为PNP型晶体管基区载流子迁移率高,当rbb′较小时,热噪声电压较小,可用于源电阻较小的场合。设计中,Ic1≈100μA,Uce1≈1V,T1工作在微功耗状态;又因为PNP管为超β低噪声晶体管,故Ib1特别小(n×10-1μA),有效地降低了PN结的散弹噪声及1/f噪声。第二,Rc1取100kΩ,有效的增加了K1;同时T2的发射极下串联了R′e2,增加了T2的输入阻抗,从而减小T2输入阻抗对K1的下降作用。(2)电路的直流工作点由Ue2经Rb1和R′b1的串联电路提供,C2下端接到T1的发射极,Rb1产生的噪声电压被短接到该点,仅R′b1的噪声电压接到T1的基极。(3)如前所述,电路整体结构属于串联电压负反馈电路,由文献可知,减小Re1与Re3的等效并联电阻,可以减小电路中加上反馈后所增加的噪声。为了兼顾直流工作点及减少耗电,Re1取n×100Ω～1kΩ。(4)选择低噪声阻、容元件,如Rc1等电阻选择用金属膜电阻,又如C1、C2应选择漏电阻很大的钽电容。不仅有利于降低噪声,且有利于工作点的稳定。众所周知,当温度变化时,晶体管的β、Ube对温度的变化均很敏感,由于直流工作点的设置也采用负反馈电路,故工作点也较为稳定。我们对此给出定性的分析。设Ue2上升,记作Ue2↑,则有:Ue2↑→Ub1↓→Uc1(Ub2)↓→Ue2↓再者,电路是串联电压负反馈电路,对稳定直流工作点也起到良好的作用。本电路的放大倍数不宜过大,否则电路容易产生较低频率的振荡(增加R′e2也起到良好的消振作用)。2、、单元电路设计(1)为了对放大器的噪声水平进行测量,电路应该在较为严格的电磁屏蔽条件下测试,为了避免引入220V/50Hz交流电源对测试仪器的噪声干扰,故测试仪表及工作电源均选用化学直流电源。(2)测试电路的框图如图2所示。框图中,虚线方框为电磁屏蔽外壳。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ单元电路为完全相同的低噪声前置放大器,放大倍数均为10.0倍。电路属于高输入阻抗宽带放大器,三级的总放大倍数为1000倍,极易产生振荡,由于各级的工作电源均采用去耦电路,T2的e极下串联了Re2′,对消除电路的振荡起到了关键作用。Ⅳ单元是据文献制作的线性检波器,电路如图3所示,其输出送到412412位数字万用表(图中Ⅴ单元)显示。该线性检波电路的输出与正弦输入信号的关系由下式决定:ˉU0=2√2π×RRF×Uin≈0.9Uin(3)U¯¯¯0=22√π×RRF×Uin≈0.9Uin(3)式中:Rf=Rf1=Rf2,选Rf=20kΩ,RF=18kΩ(三个电阻均从精度为千分之三的精密电阻中再行选配),故送到数字电压表的直流信号与正弦输入信号在中频段的比值为1.000左右。3等效噪声带宽单级前置放大器的主要技术指标如表1所示。三级相同电路与线性检波电路级联时的功率-频率特性如图4所示。在此基础上,依据文献所述“等效噪声带宽的定义为一个矩形功率增益曲线的频率宽度”,并求该等效的功率增益带宽为Beq=11.45MHz。当输入端短路时,电路输出噪声Uon=0.39mV。在总放大倍数Ku=1000,并忽略后两级放大器及线性检波电路的噪声的前提下,则本电路输入端的噪声电压由下式决定:en=Uno/Κu√Beq≈0.12nV/√Ηzen=Uno/KuBeq−−−√≈0.12nV/Hz−−−√4噪声电压en(1)本电路对于放大器的低噪声设计,从晶体管的选择,工作点的设置,阻容元件的选择等诸方面进行了综合考虑,获得了低噪声特性。著名的低噪声运放MAX410,噪声电压en为2.4nV/√Ηz2.4nV/Hz−−−√,本电路的en是其1/20。比最著名日本株式会社NF回路设计的典型产品SA-200F3还要低;(2)本电路适用于信号源内阻较低的场合;(3)电路功耗极低(仅15mW)