CN110289817A - 一种微弱信号放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种微弱信号放大器，包括：第一放大电路、第二放大电路；第一放大电路为全差分负反馈电路，其通过两个差分输入端接收一组差分信号；第二放大电路为差分输入单端输出的负反馈电路，其用于将经第一放大电路放大后的信号进行二次放大并转换成单端信号。采用两极放大结构，一方面可以抑制共模噪声，另一方面通过在两级放大器之间加入交流耦合电路，可以有效解决消放大器输入端固有直流偏置在大增益时对信号的影响，经前置放大后的信号以单端形式输出，可以减少接口线缆数量。本发明的前置放大器可将超声检测应用中接收换能器接收到的非常微弱无法分辨的超声信号提取放大出来，在类似的微弱信号检测领域也具有一定的通用性。

Description

一种微弱信号放大器
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域,尤其涉及一种微弱信号放大器。
背景技术
在超声检测的一些应用中，有时信号非常微弱，在经过高声衰减材料后或者经过多次界面反射以后，接收到的超声信号幅度有时只有几十个微伏。前置放大器的作用是与接收换能器封装在一起，在前端完成对微弱信号的放大与处理，减小换能器与仪器之间信道通路引入噪声对信号质量的影响。由上可知，微弱信号前置放大器要做到：低噪声、高增益(60dB以上)、接口简单、体积小便于集成。
专利“超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路”(专利号为“CN200810052768.8”)中描述的前置放大器方案也适用于放大超声信号，但其采用了一级全差分放大器的结构，使得放大器输出需要两路信号线，接口较为复杂；另外，当实现较大增益时(比如60dB)对运放输入端的直流偏置要求较高，容易饱和，影响信号的正常放大；超声换能器的带宽有限，前置放大器应与之对应，具备带通滤波器功能，降低噪声水平，但该专利中并未提及。
专利“一种前置放大器”(申请号为201810667736.2)中描述的前置放大器采用的是单端结构(即单端输入，单端输出)，没有充分的利用超声换能器差分输出信号的特点，不具备抑制共模噪声的功能；另外，该专利中提及的放大电路基本元件是分立元件晶体管，这样不便于集成及噪声控制。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种微弱信号放大器。
本发明申请提供的一种微弱信号前置放大器，包括：第一放大电路、第二放大电路
第一放大电路，为全差分负反馈电路，其通过两个差分输入端接收一组差分信号并对该差分信号进行放大；
第二放大电路，为差分输入单端输出的负反馈电路，其用于将经第一放大电路放大后的信号进行二次放大并转换成单端信号。
可选地，所述放大器还包括：滤波器；
所述滤波器，用于对经第二放大电路放大的信号进行滤波降噪处理。
可选地，所述滤波器为二阶LC带通滤波器。
可选地，所述放大器还包括：输出缓冲电路；
所述输出缓冲电路，包括单端信号跟随器。
可选地，所述输出缓冲电路通过第十一电阻连接到输出端口；
所述第十一电阻为输出匹配电阻，用于匹配同轴线缆和下级电路系统。
可选地，所述放大器还包括第一保护电路和第二保护电路；所述第一放大电路的两个差分输入端分别通过第一保护电路和第二保护电路连接到两个输入端口。
可选地，所述第一放大电路包括：第一放大器、第二放大器
第一放大器的同向输入端通过第一保护电路连接到第一输入端口，第一放大器反向输入端通过第五电阻连接到第一放大器的输出端，通过第三电阻和第四电阻与第二放大器的反向输入端连接，第三电阻和第四电阻相连的一端通过第一电容接地；第二放大器的反向输入端通过第六电阻连接到第二放大器的输出端，第二放大器的同向输入端通过第二保护电路连接到第二输出端口。
可选地，所述第一放大电路的一差分输出端通过第二电容与所述第二放大电路的一差分输入端连接；所述第一放大电路的另一差分输出端通过电容与所述第二放大电路的另一差分输入端连接。
可选地，所述第二电容和所述第三电容均为交流耦合电容，用于消除经第一放大电路放大后的信号中的直流分量。
本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例提供的一种微弱信号放大器，采用两极放大结构，一方面可以抑制共模噪声，另一方面通过在两级放大器之间加入交流耦合电路，可以有效解决消放大器输入端固有直流偏置在大增益时对信号的影响，经前置放大后的信号以单端形式输出，可以减少接口线缆数量，可接同轴线缆输出方便阻抗匹配；将第二放大电路输出的信号接入滤波器，进一步提高信噪比；滤波后的信号经输出缓冲放大器隔离，并匹配输出阻抗后驱动同轴线缆输出。本申请的微弱信号放大器可将在超声检测应用中接收换能器接收到的非常微弱无法分辨的超声信号提取放大出来，在类似的微弱信号检测领域也具有一定的通用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明申请一种微弱信号放大器的结构示意图；
图2为本发明申请一种微弱信号放大器的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，但不作为对本申请的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
图1为本发明申请的结构示意图。参见图1，本发明申请的放大器中包括：保护电路101、第一放大电路102、耦合电路103、第二放大电路104、滤波器105、缓冲电路106。
结合图2对本发明申请放大器的各个模块进一步说明。
保护电路101包括第一保护电路1011，和第二保护电路1012。
进一步地，第一保护电路1011和第二保护电路1012可以为二极管双向限幅保护电路；第一保护电路包括二极管D1和二极管D2、电阻R1。二极管D1和二极管D2反向并联的一端接地，另一端连接第一输入端口。第二保护电路包括二极管D3、二极管D4和电阻R2。二极管D3和二极管D4反向并联的一端接地，另一端与第二输入端口连接。第一输入端口和第二输入端口连接超声换能器的两极，当第一输入端口和第二输入端口的瞬间输入电压较高时，限幅保护电路101可以对电路进行保护。
第一保护电路1011和第二保护电路1012为两个完全相同的电路，均为二极管双向限幅保护电路，在输入电压过高或者过低的两个方向上均产生限幅作用。如将第一端口或者第二端口输入的电压的下限固定在某一个固定值上，将第一端口或者第二端口的输入电压的上限固定在某一个固定值上。
保护电路101通过第一端口和第二端口连接到外部的超声换能器，超声换能器输出差分信号。
第一放大电路102为全差分负反馈电路，输入和输出信号都是差分形式，可有效的抑制共模噪声。具体地，第一放大电路102包括放大器U1和放大器U2。放大器U1的同向输入端与第一限幅保护电路1011连接，放大器U1的反向输入端通过电阻R3和电阻R4与放大器U2的反向输入端连接，通过电阻R5与放大器U1的输出端连接；放大器U2的反向输入端通过电阻R6与放大器U2的输出端连接，放大器U2的同向输入端与第二限幅保护电路1012连接；电阻R3和电阻R4相连的一端通过电容C1接地。其中，电容C1用于对输入第一放大电路的差分信号进行去噪处理。
进一步地，第一放大电路102采用全差分负反馈电路，放大器U1和放大器U2为低噪声运算放大器，输入和输出信号都是差分形式，可有效的抑制共模噪声，当电阻R3与R4相等，电阻R5与电阻R6相等时，第一放大电路102的增益为G1＝(R5+R3)/R3。
耦合电路103包括电容C2和电容C3，电容C2的一端与放大器U1的输出端连接，另一端连接第二放大电路104；电容C3的一端和放大器U2的输出端连接，另一端连接第二放大电路104。电容C2和电容C3为交流耦合电容，能够阻挡直流电路的通过，用来消除经第一放大电路102放大后的信号中的直流分量。从而可以消除了在第一放大电路102输入端固有直流偏置在大增益时对信号的影响。
第二放大电路为差分输入单端输出的负反馈放大电路，可以将经第一放大电路102放大后的差分信号，经第二放大电路104放大以后以单端形式输出，简化了信号的输出接口。具体地，第二放大电路104包括放大器U3，放大器U3的同向输入端通过电阻R7与电容C2的一端连接，通过电阻R8接地。放大器U3的反向输入端通过电阻R9与电容C3的一端连接，通过电阻R10与放大器U3的输出端连接。放大器U3的输出端连接滤波器105。第二放大电路的增为益G2＝R10/R9。
在前置放大器中，采用两极放大结构(第一放大电路102和第二放大电路104)，一方面可以抑制共模噪声，另一方面通过在两级放大器之间加入交流耦合电路，可以有效解决消放大器输入端固有直流偏置在大增益时对信号的影响，经前置放大后的信号以单端形式输出，简化信号的输出接口。
滤波器105其中心频率和带宽与配接超声换能器的频率和带宽一致，能够进一步提高信噪比。。
进一步地，滤波器105为2阶LC滤波器，包括电容C4、电容C5、电容C6，电感L1、电感L2、电感L3。电容C5和电感L2并联的一端接地，另一端通过电感L1和电容C4与放大器U3的输出端连接，通过电容C6和电感L3连接到缓冲电路。电感L1和电容C4串联连接，电容C6和电感L3串联连接。
需要说明的是，除了采用2阶LC滤波器外，还可以采用其他滤波器。在此只给出一种滤波器的可能形式，并不对此做限定。
缓冲电路106，其用于把滤波器的阻抗与下一级电路的阻抗分开，起到输出缓冲隔离的作用。具体地，缓冲电路106包括放大器U4，放大器U4为单端信号跟随器，其输出电压随输入电压的变化而变化，其增益G3＝1。放大器U4的同向输入端与滤波器连接，放大器U4的反向输入端与放大器U4的输出端连接。放大器U4的输出端通过电阻R11连接到输出端口。电阻R11是输出匹配电阻，其用来匹配同轴线缆和下级电路系统。
在一个可能的实施例中，对超声换能器的输出信号进行放大。具体地，超声换能器中心频率是350kHz，带宽180kHz，超声换能器两极的输出信号分别为VinP和VinN。两组电阻R1、R2取值为50欧姆，二极管D1、D2选用快速恢复二极管1n4148，构成第一保护电路和第二保护电路，可保护的输入瞬间峰值电压是100V。
第一放大电路的电路结构采用全差分负反馈放大电路，U1和U2选用低噪声运算放大器LMH6624，输入和输出信号都是差分形式，可有效的抑制共模噪声。电阻R3、R4取值为49.9欧姆，电阻R5、R6取值为10000欧姆增益G1＝(R5+R3)/R3＝201。
电容C2、C3为交流耦合电容，在这里取0.1uF，用来消除第一级放大后的直流分量。
第二放大电路为差分输入单端输出的负反馈放大电路，U3选用低噪声运算放大器LMH6624，电阻R8、R10选用1000欧姆，电阻R7、R9选用100欧姆，增益G2＝R10/R9＝10。
电容C4取值为5.6nF、电感L1取值为33uH、电容C5取值为12nF、电感L2取值为18uH、电容C6取值为18nF、电感L3取值为12uH构成了2阶LC滤波器，其中心频率为350kHz，带宽为350kHz；U4选用低噪声运算放大器LTC6228，其电路结构是单端信号跟随器，增益G3＝1，作用是输出缓冲隔离；R11是输出匹配电阻，选用49.9欧姆，用来匹配50欧姆的同轴线输出。
本实施例可配合350kHz的空气耦合换能器进行检测应用，放大提取出几十uV的微弱信号。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微弱信号放大器，包括：第一放大电路、第二放大电路，
第一放大电路，为全差分负反馈电路，其通过两个差分输入端接收一组差分信号并对该差分信号进行放大；
第二放大电路，为差分输入单端输出的负反馈电路，其用于将经第一放大电路放大后的信号进行二次放大并转换成单端信号。
2.根据权利要求1所述的放大器，还包括：滤波器，
所述滤波器，用于对经过第二放大电路放大的信号进行滤波降噪处理。
3.根据权利要求2所述的放大器，所述滤波器为二阶LC带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的放大器，还包括：输出缓冲电路，
所述输出缓冲电路，包括单端信号跟随器。
5.根据权利要求4所述的放大器，其特征在于，所述输出缓冲电路通过第十一电阻(R11)连接到输出端口；
所述第十一电阻(R11)为输出匹配电阻，用于匹配同轴线缆和下级电路系统。
6.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，包括第一保护电路和第二保护电路；所述第一放大电路的两个差分输入端分别通过第一保护电路和第二保护电路连接到两个输入端口。
7.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述第一放大电路包括：第一放大器(U1)、第二放大器(U2)；
第一放大器(U1)的同向输入端通过第一保护电路连接到第一输入端口，第一放大器(U1)反向输入端通过第五电阻(R5)连接到第一放大器(U1)的输出端，通过第三电阻(R3)和第四电阻(R4)与第二放大器(U2)的反向输入端连接；第三电阻(R3)和第四电阻(R4)相连的一端通过第一电容(C1)接地；第二放大器(U2)的反向输入端通过第六电阻(R6)连接到第二放大器(U2)的输出端，第二放大器(U2)的同向输入端通过第二保护电路连接到第二输入端口。
8.根据权利要求7所述的放大器，其特征在于，所述第一放大电路的一差分输出端通过第二电容(C2)与所述第二放大电路的一差分输入端连接；所述第一放大电路的另一差分输出端通过电容(C3)与所述第二放大电路的另一差分输入端连接。
9.根据权利要求8所述的放大器，其特征在于，所述第二电容(C2)和所述第三电容(C3)均为交流耦合电容，用于消除经第一放大电路放大后的信号中的直流分量。
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