纳伏级微弱信号放大电路的设计

纳伏级微弱信号放大电路的设计

徐志夺

大连测控技术研究所 辽宁大连 116000

摘 要：从当前我国通信行业发展情况来看，其为工程测量工作开展奠定了坚实基础，纳伏级微弱信号放大电路的设计可以实现对信号有效调理，并且降低噪声，其主要运用了多级放大电路的组态形式，并且利用仿真软件对系统噪声进行了分析，使得信噪比得到改善。基于此，本文也尝试对纳伏级微弱信号放大电路设计进行了深入探讨。

关键词：纳伏级微弱信号；放大电路；设计

随着我国科技水平的不断提升，对于微弱信号检测技术的研究不断深入，弱光检测技术、微振动检测技术以及低电平电压检测技术等等进入到人们视野。由于被检测目标信号极其微弱，如果运用普通的电子器件对其进行检测操作，往往存在较为严重的误差，这也使得最终的检测结果浮动范围不符合要求，这时候则需要运用微弱信号检测技术，其主要是通过放大器来保证其输入阻抗得以提升，而输出阻抗则尽可能降低。目前来看，在开展弱信号检测工作时，不仅对检测器件有很高的要求，同时也对待测信号的动态范围以及响应速度有严格要求，只有保证其各方面要求符合标准，才能使最终检测结果准确性得到保证。

1. 关于微弱信号及其检测的基本简介

对于微弱信号检测来说，其在实际开展过程中，主要是利用电子学以及物理学等方法来尽可能恢复被噪声所掩盖的微弱信号，从而达到提取信号以及运用信号的目的。从当前我国微弱信号检测技术发展情况来看，其主要是从提高检测系统输出信号的信噪比入手，从而实现对现有微弱信号的放大。通常情况下，在开展微弱信号检测工作时，前置放大器是噪声引入的主要部件之一，因此在进行微弱信号检测设计时，首先应该注意保证第1级的噪声系数足够小，这样才能使最终检测准确性得到保证。在对整个检测电路的噪声系数进行控制时，应该以前置放大器的噪声系数为基础，由此可以看出，系统前置放大器的选择以及相关电路设计非常重要，直接关系到后续各项检测工作的开展。当前，微弱信号检测电路的基本结构为：微弱电压信号——电压放大电路——带通滤波电路——A/D转换电路。这一结构在运转过程中主要是通过电压放大电路，然后对微弱信号幅度进行放大，通过多级带通滤波的方式来降低电压信号中的噪声，然后再将这一信号再次放大，最终通过转换电路对其进行转换^[1]。

2. 微弱信号检测电路设计探析

1. 初级放大电路设计

在进行初级放大电路设计时，应该以前置放大电路设计为主，其也是决定整个系统噪声情况的关键电路。尤其对于差分输入端来说，可能会受到较大的干扰，这就对前置放大器共模抑制能力有很高的要求，因此，要注意科学构建初级放大器^[2]。目前来看，AD620是一种高精度仪表放大器，其优势还体现为成本低廉、增益范围广，其封装结构如图1所示。

图1 AD620封装图

对于AD620来说，其应用了经典的三运放改进设计方式，在实际应用过程实现了差动输入、单端输出，这也使得其整体结构增益效果得到了保证，并且可以实现对增益程度的精准掌控。可以通过仿真软件Multisim来对初级放大电路进行仿真，将其放大倍数设定为10倍^[3]。

2. 多级带通滤波电路设计

对于这一环节的设计工作来说，在实际展开过程中往往对放大电路的整体增益效果有很高要求，而单个运放增益效果往往不够明显，这时候则要考虑运用电路多级放大组态的方式，使其经过多级滤波以及多级放大，进而逐渐提高其信噪比。可以看出，在进行带通滤波电路设计操作时，其是以两组标准的高通滤波器为基本组合，每一级发挥2倍同相放大效果。

3. 循环放大电路设计

对于微弱信号放大电路设计来说，循环放大电路设计非常关键，其可以实现对误差以及信号采样的有效放大管控，其会运用到运算放大器、采样保持器，对其失调误差情况进行确定^[4]。通常情况下，应该将其设定为4个主要周期，前两个周期负责完成误差采样，第3个周期则需要完成对信号的采样，当第3个采样周期结束之后，要对运算放大器A₀的数值进行确定，保证其最终输出数值的准确性。在第4个周期开始时，应该注意对电路组实行交替切换操作，通过这种方式来实现对信号的循环放大，这时候设定主运放大器A₀的增益为“A”，经过多次交替切换之后，信号样则被放大为“A´”^[5]。

4. 输出级放大电路设计

对于这一环节的放大电路设计来说，其重要性不言而喻，主要体现为提高对后级的驱动能力。在实际开展输出级放大电路设计操作时，应该注意确定一个二级输出级，将其中的第1级作为低通滤波器，逐渐增加这一级的带通滤波，由于之前系统在运转的过程中，往往会出现公工频干扰情况，而加上这一级之后，则使得工频干扰得到了有效控制，其整体运行稳定性得到了保证。而第2级的设定则是为了跟随输出级，其主要目的是为了提高输出级的驱动能力，这样一来，输出级在实际运转过程中便可以保证信号衰减得到有效缓解，从而使得信号放大，使得电路的整体运转效果得到了保证。当微弱信号放大电路设计完成之后，将其实际应用到电路系统运行中，则可以发现，原有的前置放大电路在当前情况下信噪比得到了有效改善，大于100Hz的噪声信号已经受到了良好控制，这也为后续的信号采集工作开展奠定了坚实基础。

结束语

总而言之，通过对微弱信号放大电路的有效设计，可以将微弱信号放大倍数提升至1000倍以上，通过实验测试可以发现低频段的噪声被有效抑制，从而使得信号受干扰程度明显减弱。当信噪比得到有效控制之后，后续在开展A/D采集以及数据处理工作时，则可以明显扩展信号测量范围，使其达到纳伏级别，使信号测量工作的实际开展需求得到了满足。今后应该注意进一步加大对微弱信号放大电路的设计研究力度，以电子学以及物理学的方法作为基础，进一步恢复被掩盖的微弱信号。

参考文献：

[1] 张晓梅. 过套管电阻率测井纳伏级极微弱信号采集理论与实验研究[D]. 陕西:西安石油学院,2017.

[2] 安慰东,刘杰,包德州,等. 纳伏级微弱信号放大电路的设计[J]. 电子测试,2017,10(8):52-55.

[3] 胡志峰. 应用于低频微弱信号检测的前置放大电路设计[D]. 湖南:湖南大学,2015.

[4] 刘刚. 测井极微弱信号检测与采集技术的研究[D]. 陕西:西安石油学院,2018.

[5] 曹文宗. 阵列感应测井仪弱信号检测系统的研究与实现[D]. 湖北:华中科技大学,2018.