CN105811890A - 一种用于热噪声测量的放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热噪声测量的放大器，接探测信号，包括依次连接的放大单元、滤波单元、转差分单元以及低噪声电源，其中：低噪声电源为所述放大单元、滤波单元及转差分单元供电；放大单元，对所述探测信号依次进行前置同相比例放大、滤除直流分量、主放大后，得到预设放大倍数的放大信号；滤波单元，包括多级有源滤波器，对所述放大信号进行滤波；转差分单元，采用单端转差分电路，将滤波后的放大信号消除干扰并转换成差分信号输出。将滤除直流分量滤波器置于前置放大器与主放大器之间，可将探测信号放大预设倍数并保证探测信号经过主放大器放大后不会超过量程，且输出噪声低；使用低噪声电源芯片供电，减小了电源引入的噪声。

Description

一种用于热噪声测量的放大器

技术领域

本发明涉及仪器仪表领域，特别是涉及一种用于热噪声测量的放大器。

背景技术

热噪声是重要参数之一，尤其是对高灵敏度的红外探测器来说，热噪声更是重中之重。

申请号为201410169443.3的专利申请提出了一种低噪声放大器，该放大器主要采用变压器放大，采用单个晶体管放大，主要对射频小信号的放大，得到所需要的信号。

申请号为201210337302.9的专利申请提出了一种具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，该宽带低噪声放大器主要采用单管结构的电路，对射频信号进行放大并且滤波，最后转成差分信号。

申请号为200910054643.3的专利申请提出了一种噪声测量的方法及装置，该方法主要阐述了MIMO-OFDM的噪声测量方法，包括傅里叶变换模块、噪声测量模块、信道估计模块、MIMO检测模块、信道译码模块和反馈模块。主要是采用软件算法对噪声进行测量。现有的技术都没有提及对红外探测器热噪声的长期监测。

发明内容

基于此，有必要提供一种可实时监测红外探测器热噪声的用于热噪声测量的放大器。

本发明公开了一种用于热噪声测量的放大器，接探测信号，所述放大器包括依次连接的放大单元、滤波单元、转差分单元以及低噪声电源，其中：

所述低噪声电源为所述放大单元、滤波单元及转差分单元供电；

所述放大单元，对所述探测信号依次进行前置同相比例放大、滤除直流分量、主放大后，得到预设放大倍数的放大信号；

所述滤波单元，包括多级有源滤波器，对所述放大信号进行滤波；

所述转差分单元，采用单端转差分电路，将滤波后的放大信号消除干扰并转换成差分信号输出。

上述用于热噪声测量的放大器将滤除直流分量滤波器置于前置放大器与主放大器之间，可将探测信号放大预设倍数并保证探测信号经过主放大器放大后不会超过量程，且输出噪声低；采用多级有源滤波器进行滤波，并且将放大部分与滤波部分分开，使得电路整体的噪声减小；使用低噪声电源芯片给所有的放大器进行供电，减小电源引入的噪声，实现了红外探测器热噪声的实时监测。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中用于热噪声测量的放大器的结构示意图；

图2(A)为红外探测器噪声获取方式示意图；

图2(B)为红外探测器长期测量时的等效电路；

图3为图1所示的放大器的放大单元的电路图；

图4为图3所示放大单元中同相比例放大器的噪声模型的电路示意图；

图5为图1所示的放大器的中滤波单元的高通滤波部分的电路图；

图6为图5所示的高频滤波器频谱噪声密度随频率变化曲线；

图7为图5所示的高频滤波器幅频特性曲线；

图8为图1所示的放大器的中滤波单元的低通滤波部分的电路图；

图9为图8所示的低频滤波器频谱噪声密度随频率变化曲线；

图10为图8所示的低频滤波器幅频特性曲线；

图11为图1所示的放大器的中转差分单元的电路图；

图12(A)为图1所示的放大器的中正低噪声电源的电路图；

图12(B)为图1所示的放大器的中负低噪声电源的电路图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明较佳实施例中的用于热噪声测量的放大器(同后文的放大器)100工作于0.05Hz～300Hz频段内，填补了现有技术中的放大器没有提及对0.05Hz～300Hz的频段信号放大20000倍的空缺。下面将以测量红外探测器的热噪声为例说明具体实施例。

放大器100安装在对静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽的双层屏蔽盒内(图未示出)，所述放大器100接入探测信号，其包括依次连接的放大单元110、滤波单元120、转差分单元130以及低噪声电源140，放大器100同时采用多级单独滤波的方式进行滤波，并且将滤波器穿插在两级放大器之间。

具体地，所述低噪声电源140为所述放大单元110、滤波单元120及转差分单元130供电；所述放大单元110对所述探测信号依次进行前置同相比例放大、滤除直流分量、主放大后，得到预设放大倍数的放大信号；所述滤波单元120包括多级有源滤波器，对所述放大信号进行滤波；所述转差分单元130采用单端转差分电路，将滤波后的放大信号消除干扰并转换成差分信号输出。

输入上述探测信号的红外探测器可以等效成电阻，给探测器供电的电源的噪声就直接影响了输入到放大器噪声信号的质量，所以使用正负12V的干电池给探测器供电。红外探测器噪声获取方式如图2(A)所示，红外探测器噪声主要由其内部的热敏电阻薄片R1、R2决定，其噪声成分主要包含热噪声和电流噪声两部分组成，红外探测器输出总噪声V_总噪声计算公式如式1-1所示：

长期测量时的图2(A)的等效电路如图2(B)所示，V1和V2为噪声电压，从等效电路看当两个电阻R1、R2并联时，其各自产生的噪声不会产生变化，其输出的总噪声等于两个电阻R1、R2的并联，热噪声信号所包含的功率与温度及带宽直接成正比，电阻热噪声计算公式如式1-2所示：

其中，k为:波尔兹曼常数1.38*10^-23J/K，T为开尔文温度，室温为27℃时，取值为100K，R为电阻的阻值，B为系统的带宽，取值为1Hz，则计算结果如式1-3所示。

$V_n=\sqrt{4*1.38*{10}^{-23}*300*100*{10}^3*1}=0.0407\mathrm{\μV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}---1-3$

本系统的带宽为300Hz，等效阻值范围为100K-150K，则红外探测器的常温输出热噪声电压范围为0.705uV-0.863uV。

请参阅图1和图3，放大单元110包括依次连接的用作5倍前置同相比例放大的同相比例放大器1121、用作滤除直流分量的二阶有源Sallen-Key高通滤波器114和用作4000倍主放大的仪表放大器116。其中5倍放大部分采用同相比例放大器OPA2277进行放大，4000倍放大部分采用仪表放大器INA121进行放大，在仪表放大器INA121放大之前用二阶有源Sallen-Key高通滤波器114消除直流偏置电压，保证放大后的信号不会超过量程。

具体地，图3中的In端口接入探测信号，Vout端口输出放大信号。其中，首先用同相比例放大器112将探测信号放大5倍，然后经过二阶有源Sallen-Key高通滤波器114滤掉直流分量，最后通过仪表放大器INA121将信号放大4000倍，得到需要的放大信号。

同相比例放大器112的噪声模型如图4所示，其中R_s＝100K，R_f1＝10Ω，R_f2＝39Ω。电路的主要噪声包括：

R_s中产生的热噪声为R_f1和R_f2中产生的热噪声为输入噪声电压e_n、输入噪声电流i_n；输入电流在输入电阻上产生的噪声i_n*R_s；输入电流在反馈电阻上产生的噪声i_n*(R_f1*R_f2/R_f1+R_f2)。

本实施例中同相比例放大器112和二阶有源Sallen-Key高通滤波器114均采用运放OPA2277及相应的分立元件构成，运放OPA2277的等效输入电压噪声为：等效输入噪声电流为：通过计算得到：

R_s中产生的热噪声为 $\sqrt{4*1.38*{10}^{-23}*300*100*{10}^3*1}=40.7\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}};$ R_f1和R_f2中产生的热噪声为 $\sqrt{4*1.38*{10}^{-23}*300*8}=0.36\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}};$ 输入噪声中电压噪声e_n为输入噪声中电流在输入电阻上产生的噪声为输入噪声中电流在反馈电阻上产生的噪声为 $\sqrt{{(6.9*10^{-15}*8)}^2}=5.52\mathrm{fV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$

根据结果可以得到运放OPA2277输出噪声中电阻输出热噪声占据低噪声前置放大输出噪声的主导。

本发明中使用了仪表放大器INA121将信号放大了4000倍，该仪表放大器的输入噪声为输出噪声为综上所述，依旧是输入电阻的噪声占据主导，并且总的系统输入噪声小于2mV。

请参阅图1、图5和图8，滤波单元120主要包括六阶高通有源滤波器和六阶低通有源滤波器。本实施例中，六阶高通滤波器120a采用3级运算放大器串联连接，主要采用Sallen-Key高通滤波器级联，如图5所示；六阶低通滤波器120b同样采用3级Sallen-Key低通滤器波级联，如图8所示。

图5中的IN1端口接图3中的放大电路的Vout端口输出的放大信号，图5中的OUT1端口输出经过高通滤波后的放大信号。从图中可以看出采用了3级6阶高通滤波器对放大后的信号进行滤波，每一级的截止频率以及品质因数如表1所示。

表1三级高通有源滤波器的截止频率以及品质因数：

三级高通有源滤波器	第一级	第二级	第三级
				截止频率(mHz)	31.12	29.55	26.21
品质因数	0.5103	0.6112	1.023

对该电路进行仿真得到频谱噪声密度随频率变化曲线以及幅频特性曲线，如图6和图7所示。图6为高频滤波器频谱噪声密度随频率变化曲线；图7为高频滤波器幅频特性曲线。从图6中可以看出整个高通滤波器的频谱噪声密度的最大值小于在1Hz之后频谱噪声密度几乎可以忽略。从图7幅频特性曲线图中可以看出，-3dB点在50mHz左右，并且频率点范围不超过5％。

如图8所示，六阶低通滤波器120b的电路图，图8中的IN2端口接图5中的高通滤波电路的OUT1端口输出的放大信号，图8中的OUT2端口输出经过低通滤波后的放大信号。从图中可以看出采用了3级6阶低通滤波器对放大后的信号进行滤波。每一级的截止频率以及品质因数如表2所示：

表2三级低通有源滤波器的截止频率以及品质因数

三级低通有源滤波器	第一级	第二级	第三级
				截止频率(Hz)	572.4	507.6	482

品质因数

1.023

0.611

0.510

对该电路进行仿真得到频谱噪声密度随频率变化曲线以及幅频特性曲线，如图9和图10所示。

从图9中可以看出整个低通滤波器的频谱噪声密度的最大值小于在1kHz之后频谱噪声密度小于

从幅频特性曲线图中可以看出，-3dB点在300Hz左右，并且频率点范围不超过5％。

请参阅图1和图11，转差分单元130主要采用芯片THS4531完成。如图11所示，为单端转差分的电路，图11中的IN3端口接图8低通滤波电路OUT2端口输出的放大信号，图11中的Out+端口和Out-端口输出差分信号。本实施例中，使用了THS4531的芯片，该芯片的输入噪声为外接了4个499Ω的电阻，通过计算得到总噪声为远远小于放大后得到的红外探测器噪声。

请参阅图1、3、5、8、11、12(A)和12(B)，放大器100使用了正、负5V供电的方式，为了尽可能低的减少由电源纹波带来的影响，参考图12(A)和图12(B)，低噪声电源140分别采用了低噪声电源140芯片TPS7A4901和TPS7A3001同时在芯片的散热端加上散热片，保证芯片的温度在安全范围以内。，减小由电源纹波带来的影响。同时加上足够的散热片，使芯片工作在额定的温度之内，保证电路长时间不间断工作。

另外，在进一步的实施例中，放大器100安装在对静电和电磁进行屏蔽的双层屏蔽盒内，以减少外界的干扰，保证电路的稳定工作。本实施例中，双层屏蔽盒包括导电金属(如铝、铜)制成的金属容器(图未示出)和高导磁率材料制的密闭的外壳(图未示出)，所述放大器100收容于所述金属容器，所述外壳包裹于所述金属容器外。

从上面的描述可知，在进入仪表放大器之前，系统的总噪声(不包括探测器噪声)为其中包括为(前级放大的噪声)和(滤波器的噪声)，经过4000倍放大后得到噪声约为由于滤波器产生的噪声和单端转差分电路产生的噪声远远小于所以可以忽略不计。由于截止频率为300Hz，所以最后的噪声大小为1.135mV。热噪声放大20000倍之后，输出电压值为14.1mV至17.3mV，基本可以满足测量探测器噪声的要求。

发明的放大器100将一级滤除直流分量滤波器置于前置放大器与主放大器之间，将红外探测器输入的探测信号放大20000倍，探测信号经过主放大器放大后不会超过量程，并实现系统自身的输出噪声小于2mV；采用多级有源滤波器进行滤波，并且将放大部分与滤波部分分开，使得整体的噪声减小；使用低噪声电源140芯片给所有的放大器进行供电，减小了电源引入的噪声，同时良好的散热保证了放大器可以连续不间断工作15天；另外，具有双层不同材质的屏蔽层，以减小外界对电路的影响；

上述用于热噪声测量的放大器100将红外探测器的热噪声在0.05Hz～300Hz的频段放大20000倍，使红外探测器的热噪声可以被实时监测。并且本发明使用了双层屏蔽以及充分的散热系统，可以连续不间断工作15天。在输入端短接的情况下，放大20000倍后，保证输出噪声小于2mV。为红外探测器的筛选提供了一个更加可靠的步骤。保证红外探测器的可靠性，以及质量，具有很高的实用价值。经过实验，使用证明可行，已完成的样机，并且测试满足设计要求。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于热噪声测量的放大器，接探测信号，其特征在于，所述放大器包括依次连接的放大单元、滤波单元、转差分单元以及低噪声电源，其中：

所述低噪声电源为所述放大单元、滤波单元及转差分单元供电；

所述放大单元，对所述探测信号依次进行前置同相比例放大、滤除直流分量、主放大后，得到预设放大倍数的放大信号；

所述滤波单元，包括多级有源滤波器，对所述放大信号进行滤波；

所述转差分单元，采用单端转差分电路，将滤波后的放大信号消除干扰并转换成差分信号输出。

2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述放大单元包括依次连接的用作前置同相比例放大的同相比例放大器、用作滤除直流分量的二阶有源Sallen-Key高通滤波器和用作主放大的仪表放大器。

3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述同相比例放大器的型号为OPA2277，所述仪表放大器的型号为INA121。

4.根据权利要求2或3所述的放大器，其特征在于，所述前置同相比例放大的放大倍数为5倍，所述主放大的放大倍数为4000倍，所述差分信号的电压值为14.1mV至17.3mV，输出噪声低于2mV。

5.根据权利要求1、2或3所述的放大器，其特征在于，所述滤波单元采用3级6阶高通滤波器和3级6阶低通滤波器对所述放大信号进行滤波。

6.根据权利要求1、2或3所述的放大器，其特征在于，所述转差分单元芯片THS4531。

7.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述低噪声电源包括低噪声电源芯片TPS7A4901和TPS7A3001，分别用于提供正、负工作电压。

8.根据权利要求1、2、3或7所述的放大器，其特征在于，所述放大器安装在对静电和电磁进行屏蔽的双层屏蔽盒内。

9.根据权利要求8所述的放大器，其特征在于，所述双层屏蔽盒包括导电金属制成的金属容器和高导磁率材料制的密闭的外壳，所述放大器收容于所述金属容器，所述外壳包裹于所述金属容器外。