CN114094946A - 用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路 - Google Patents
用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114094946A CN114094946A CN202111430266.6A CN202111430266A CN114094946A CN 114094946 A CN114094946 A CN 114094946A CN 202111430266 A CN202111430266 A CN 202111430266A CN 114094946 A CN114094946 A CN 114094946A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- circuit
- resistor
- signal
- operational amplifier
- low
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003321 amplification Effects 0.000 title claims abstract description 63
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 34
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 8
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 7
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/56—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
- H03F3/45179—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using MOSFET transistors as the active amplifying circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/372—Noise reduction and elimination in amplifier
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45031—Indexing scheme relating to differential amplifiers the differential amplifier amplifying transistors are compositions of multiple transistors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
本发明提供一种用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，包括：斩波调制电路：用于将超低频宽带微弱信号调制至高频信号以规避后续信号处理电路的闪烁噪声；电位阻抗匹配电路：用于提供斩波调制控制信号的参考电位和电极的匹配阻抗；高输入阻抗差分交流放大电路：用于信号低噪声差分放大处理，同时将差分信号转换成单端信号；斩波解调电路：用于将高频信号解调至低频信号，恢复出放大后的低频宽带信号；低通滤波电路：用于滤除调制解调产生的高频噪声；高输入阻抗直流放大电路：用于电路输出的阻抗匹配。本发明提供的信号放大电路为一种电容性电极阻抗匹配的超低噪声信号放大电路，适用于易极化电容性海洋惰性材料电极的信号检测。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路。
背景技术
海洋电磁法作为海洋地震勘探的有效补充，是海洋油气资源勘探尤其深海油气资源勘探领域的研究热点，可有效降低海洋油气钻探的干井率。海洋电磁信号包括天然源电磁信号和人工源电磁信号，其中天然源海洋电磁信号主要由闪电、地磁脉动、亚磁暴及磁暴产生，海洋电磁信号的频带范围大约为0.001Hz-100Hz，由于海水的高电导性，海洋电磁信号被严重衰减，深海中1Hz频点处的感应电场信号低至1nV/m/sqrt(Hz)，需要超低噪声的海洋电场传感器(电极)和信号放大电路实现微弱电场信号采集。
海洋电磁探测测量一对相隔一定距离(一般不超过10m)的电极的电势差来间接测量海洋电场。目前在海洋电磁勘探中广泛应用的电极是不极化电极，例如Ag/AgCl电极，具有噪声低、灵敏度高、极差漂移小等特点，是固定式海底电磁采集站常采用的电极。但不极化Ag/AgCl电极入水后需要较长时间才能建立电化学平衡从而达到电极对电位稳定，同时水流波动会导致Ag/AgCl电极的双电层不稳定从而引起电极电位的周期性变化，因此，Ag/AgCl电极不适合应用于快速部署或移动探测的场合。
研究表明，碳纤维电极具有与Ag/AgCl电极相当的自噪声、灵敏度、极差漂移，同时具有较短的电极电位平衡时间和较强的抗水流波动影响能力，且体积小、使用寿命长、维护简单成本低，适合于快速部署或移动探测的场合。碳纤维电极的缺点是碳纤维电极的内阻在低频段变化较大，在0.001hz频点内阻值可以达到560欧姆，在频率高于1Hz频点处接近Ag/AgCl电极，小于10欧姆。
易极化碳纤维电极在海水介质中主要呈现电容特性，只具有离子吸脱附而无氧化还原反应，与放大电路的输入阻抗组成一个RC震荡电路，外界干扰很容易引起碳纤维电极双电层的变化从而引起电极电位的变化，需要通过减小放大电路输入阻抗来保持电位稳定。因此，目前常用的连接不极化Ag/AgCl电极的低噪声信号采集电路不能直接应用于易极化碳纤维电极。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题之一，提供一种用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，尤其适用于碳纤维电极信号放大。
为解决以上问题，本发明提供如下技术方案：
一种超低噪声信号放大电路，包括：
斩波调制电路：用于将超低频宽带微弱海洋电场信号调制至高频信号以规避后续信号处理电路的闪烁噪声，包括调制信号输入单元及调制单元，所述调制单元输入端接入调制信号；所述调制信号输入单元包括第一电阻及第二电阻，第一电阻的第一端接入调制信号并进一步连接至调制单元，第一电阻的第二端连接至第二电阻的第一端，第二电阻的第二端连接至调制单元，第一电阻第二端和第二电阻第一端之间的电位定义为第一电位；
电位阻抗匹配电路：用于提供斩波调制信号的参考电位和斩波调制后的电极信号的匹配阻抗，包括串联连接的第一电容和第二电容，以及，串联连接的第三电阻和第四电阻；第三电阻和第四电阻的串联端进一步与第一电容和第二电容的串联端连接，该连接点电位定义为第二电位；所述第二电位被配置为与第一电位相等；第一电容和第三电阻的非串联端互连并连接至斩波调制电路的输出端，第二电容和第四电阻的非串联端互连并连接至斩波调制电路的输出端；
高输入阻抗差分交流放大电路：与电位阻抗匹配电路的输出端连接，用于信号低噪声差分放大处理，同时将差分信号转换成单端信号；
斩波解调电路：用于将高频信号解调至低频信号，恢复出放大后的低频宽带信号，包括第一运算放大器，其同相输入端接入解调信号，其同相输入端和反相输入端均连接至阻抗差分交流放大电路的输出端；
低通滤波电路：与斩波解调电路的输出端连接，用于滤除调制解调产生的高频噪声；
高输入阻抗直流放大电路：与低通滤波电路的输出端连接，用于电路输出的阻抗匹配。
本发明一些实施例中，所述调制单元包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管；
第一MOS管的漏极与第三MOS管的漏极互连，第二MOS管的漏极与第四MOS管的漏极互连；
第一MOS管的源极与第二MOS管的源极互连，作为斩波调制电路的第一输出端，与第一电容和第二电阻的非串联端连接；第三MOS管的源极与第四MOS管的源极互连，作为斩波调制电路的第二输出端，与第二电容和第四电阻的非串联端连接；
第一电阻的第一端连接至第一MOS管的栅极及第四MOS管的栅极；
第二电阻的第二端连接至第二MOS管的栅极及第三MOS管的栅极。
本发明一些实施例中，所述高输入阻抗差分交流放大电路包括：第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器；
第二运算放大器的正输入端连接至第一电容和第二电阻的非串联端；第三运算放大器的正输入端连接至第二电容和第四电阻的非串联端；第二运算放大器的负输入端与第三运算放大器的负输入端连接；
第四运算放大器的负输入端连接第二运算放大器的输出端，正输入端连接第三运算放大器的输出端；
第四运算放大器的输出单连接斩波解调电路中第一运算放大器的正输入端和负输入端。
本发明一些实施例中，所述第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器均采用低噪声运算放大器。
本发明一些实施例中，第二运算放大器的负输入端与第三运算放大器的负输入端之间设置有电阻，第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输出端之间设置有电阻，第二运算放大器的负输入端和输出端之间设置有电阻，第三运算放大器的负输入端和输出端之间设置有电阻，高输入阻抗差分交流放大电路的各电阻均采用金属膜电阻。
本发明一些实施例中，所述调制信号与所述解调信号为同频率同相位方波信号。
本发明一些实施例中，所述斩波解调电路进一步包括第五MOS管，所述解调信号控制第五MOS管的通断以实现第一运算放大器的负输入端是否接地。
本发明一些实施例中，所述低通滤波电路为二阶低通滤波电路。
本发明一些实施例中，所述第三电阻和第四电阻均采用金属膜电阻。
本发明提供的系统有益效果在于：
1、本发明提供的信号放大电路为一种电容性海洋电极阻抗匹配的超低噪声信号放大电路，尤其适用于易极化电容性海洋惰性材料电极的信号检测需求。通过阻容网络用以匹配不同内阻电极与海洋电场信号放大电路，可以解决电容性电场传感器应用于海洋电磁探测的信号采集问题。
2、采用斩波调制技术，降低电路闪烁噪声对低频微弱信号的影响；采用电位阻抗匹配为斩波调制数字信号提供参考电位、为电容性电极提供匹配电阻；高输入阻抗差分交流放大实现斩波调制后微弱信号的差分采集，同时将差分信号变换为单端信号；斩波解调将放大后的高频调制信号变换为原始低频信号；低通滤波滤除调制解调等高频噪声；直流放大实现电路的低输出电阻。该电路能够在匹配电容性电场传感器的同时实现低噪声信号放大处理，从而提高海洋电场信号的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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他的附图。
图1为本发明超低噪声信号放大电路结构示意图；
图2为本发明超低噪声信号放大电路原理示意图；
图3为斩波调制电路、电位阻抗匹配电路结构示意图；
图4为斩波解调电路结构示意图；
图5为高输入阻抗差分交流放大电路结构示意图；
图6为低通滤波电路结构示意图；
图7为高输入阻抗直流放大电路结构示意图；
图8a为低频电场信号波形示意图；
图8b为调制信号及解调信号波形示意图；
图8c为低频电场信号经斩波调制后的高频信号波形示意图；
图8d为高频信号经放大且经斩波解调后的低频信号波形示意图；
图8e为经滤波处理后的低频电场信号波形示意图；
图9为本发明超低噪声信号放大电路的噪声响应曲线；
图10为低频电场信号仿真波形示意图；
图11为调制与放大后的低频电场信号仿真波形示意图；
图12为解调后的电场信号仿真波形示意图；
图13为滤波后的电场信号仿真波形示意图；
图14a为本发明超低噪声信号放大电路的幅频响应曲线；
图14b为本发明超低噪声信号放大电路的相频响应曲线。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、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。
本发明提供一种海洋惰性材料电极超低噪声信号放大电路，可用于超低频微弱海洋电场信号的探测，尤其可配置在海洋探测装备中。
参考图1和图2，超低噪声信号放大电路包括顺次连接的：斩波调制电路、电位阻抗匹配电路、高输入阻抗差分交流放大电路、斩波解调电路、低通滤波电路和高输入阻抗直流放大电路。其中，斩波调制电路为信号输入端，用于接入待检测电极信号，高输入阻抗直流放大电路为信号输出端，用于输出放大处理后的信号。
斩波调制电路：用于将超低频微弱信号调制至高频信号以规避后续处理电路产生的闪烁噪声，电路噪声的其他来源主要是电阻热噪声。斩波调制电路的结构参考图3，包括调制信号输入单元及调制单元，调制单元输入端接入调制信号，通常采用的为方波信号；调制信号输入单元包括第一电阻R1及第二电阻R2，第一电阻R1的第一端接入调制信号并进一步连接至调制单元，第一电阻R1的第二端连接至第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端连接至调制单元，第一电阻R1第二端和第二电阻R2第一端之间的电位定义为第一电位；
电位阻抗匹配电路，结构参考图3，用于提供斩波调制信号的参考电位和斩波调制后的电极信号的匹配阻抗，包括串联连接的第一电容C1和第二电容C2，以及，串联连接的第三电阻R3和第四电阻R4；第三电阻R3和第四电阻R4的串联端进一步与第一电容C1和第二电容C2的串联端连接，该连接点电位定义为第二电位；第一电容C1和第三电阻R3的非串联端互连并连接至斩波调制电路的输出端，第二电容C2和第四电阻R4的非串联端互连并连接至斩波调制电路的输出端。
通过选择合适大小的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的阻值大小，使第二电位被配置为与第一电位相等。
电路的电位阻抗匹配采用了可调节的阻容网络进行设计。对于不同内阻的电极，可以通过调节电位阻抗匹配单元，达到电路与电极匹配的目的。电位阻抗匹配单元由可调节阻容网络构成，阻容网络的具体大小应当由电极的内阻决定。电位阻抗匹配还为斩波调制数字信号提供参考电位，R3和R4之间的电位EP6和R1、R2之间的电位EP6是等电位，通过EP6为斩波调制数字信号提供参考电位。
具体地说，电极因为制作工艺和制备材料不同会呈现不同的内阻，电极和信号放大电路之间要有适合的阻抗匹配电路，以此来消除因为阻抗不匹配而产生的耦合噪声，甚至不能采集信号的现象。为了适应不同内阻的电容性电场传感器。测得电极的内阻后，调节信号放大电路中阻抗匹配单元中阻容值的大小就可以实现海洋电场传感器和信号放大电路的阻抗匹配。电位阻抗匹配单元还为2kHz的数字解调信号提供参考参考电位。
本发明一些实施例中，所述第三电阻R3和第四电阻R4均采用金属膜电阻，这种工艺的电阻产生的接触噪声比碳膜电阻产生的接触噪声低。斩波调制电路中使用的N沟道MOSFET和MOS管的导通电阻是3欧姆，低内阻的开关管产生的热噪声低。
进一步参考图3，在本发明一些实施例中，调制单元的实施结构如下。
调制单元包括：第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4；
第一MOS管Q1的漏极与第三MOS管Q3的漏极互连，第二MOS管Q2的漏极与第四MOS管的漏极互连；
第一MOS管Q1的源极与第二MOS管Q2的源极互连，作为斩波调制电路的第一输出端，与第一电容C1和第二电阻R2的非串联端连接；第三MOS管Q3的源极与第四MOS管Q4的源极互连，作为斩波调制电路的第二输出端，与第二电容C2和第四电阻R4的非串联端连接；
第一电阻R1的第一端连接至第一MOS管Q1的栅极及第四MOS管Q4的栅极；
第二电阻R2的第二端连接至第二MOS管Q2的栅极及第三MOS管Q2的栅极。
高输入阻抗差分交流放大电路结构参考图5。与电位阻抗匹配电路的输出端连接，用于信号低噪声差分放大处理，同时将差分信号转换成单端信号；本发明一些实施例中，高输入阻抗差分交流放大电路的具体实施结构包括：第二运算放大器A2、第三运算放大器A3、第四运算放大器4；
第二运算放大器A3的正输入端连接至第一电容C1和第二电阻R2的非串联端；第三运算放大器A3的正输入端连接至第二电容和第四电阻的非串联端；第二运算放大器A2的负输入端与第三运算放大器A3的负输入端连接；
第四运算放大器A4的负输入端连接第二运算放大器A2的输出端，正输入端连接第三运算放大器A3的输出端；
第四运算放大器A4的输出单连接斩波解调电路中第一运算放大器A1的正输入端和负输入端。
本发明一些实施例中，第二运算放大器A2、第三运算放大器A3、第四运算放大器A4均采用低噪声运算放大器。高输入阻抗差分交流放大实现斩波调制后微弱信号的差分采集，同时将差分信号变换为单端信号。之所以采用低噪声运算放大器搭建仪表放大器，是由于使用运算放大器搭建的放大器比集成的仪表放大器芯片具有更高的可调节性(确保低阻值增益控制电阻可调，以保证低噪声)。低噪声运算放大器在1kHz后的电压噪声是0.85nV/sqrt(Hz)，斩波信号的频率是2kHz，频段位于运算放大器低噪声频段。
在高输入阻抗差分交流放大电路的各支路上还设置有电阻(图示R5、R6、R7、R9、R15、R16),具体的，用于适配控制增益。具体的，第二运算放大器的负输入端与第三运算放大器的负输入端之间设置有电阻，第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输出端之间设置有电阻，第二运算放大器的负输入端和输出端之间设置有电阻，第三运算放大器的负输入端和输出端之间设置有电阻，这些电阻使用阻值低的金属膜电阻，以此保证更低的电路噪声。
斩波解调电路结构参考图4。用于将高频信号解调至低频信号，恢复出放大后的低频宽带信号，包括第一运算放大器A1，其同相输入端接入解调信号，其同相输入端和反相输入端均连接至高输入阻抗差分交流放大电路的输出端。具体的，第四运算放大器A4的输出端分为两个支路，每个支路上分别设置有电阻(图示R11、R12)，两个支路分别连接至第一运算放大器A1的两个输入端。
本发明一些实施例中，所述斩波解调电路进一步包括第五MOSQ5，所述解调信号控制第五MOS管的通断以实现第一运算放大器A1的负输入端是否接地。
本发明一些实施例中，前述的调制信号与所述解调信号为同频率同相位方波信号。
低通滤波电路结构参考图6，与斩波解调电路的输出端连接，用于噪声滤波处理。低通滤波电路为二阶低通滤波电路。二阶低通滤波电路的截止频率是100Hz，可以滤除解调后的信号所残留的高频噪声，恢复原始信号。
高输入阻抗直流放大电路结构参考图7，与低通滤波电路的输出端连接，用于电路输出的阻抗匹配。高输入阻抗直流放大电路实现电路的低输出电阻，直流放大电路的增益是1。主要作用是在电场信号被模数转换电路(A/D)采样之前起到阻抗匹配的作用。斩波解调和高输入阻抗直流放大电路所使用的运算放大器A1和A5在1kHz时的电压噪声是41nV/sqrt(Hz)，由于高输入差分交流放大电路的放大倍数是1000倍，该运算放大器的噪声折合到输入端是0.041nV/sqrt(Hz)。
本发明具体实施结构中，各个电路子模块的电阻取值、电容取值如下：
表1电路的阻容值
参考图8a至图8e。以低频信号的处理为例，来说明经各电路单元后，信号的处理效果。调制信号和解调信号为统一的方波信号，如图8b所示。通过频率为2kHz的调制信号实现开关管的通断，将低频的电场信号调制到高频，如图8c所示。调制后高频信号经过高输入阻抗差分交流放大器被放大后，斩波解调器将高频信号解调到低频，如图8d所示。利用低通滤波器滤除解调后信号残留的高频噪声，如图8e所示。实现对海洋电场信号的放大，同时降低电路的噪声。
进一步采用仿真验证的方法来验证本发明提供的信号放大电路的信号处理效果。
信号放大电路的噪声密度如图9所示，信号放大电路的本底噪声1.87nV/rt(Hz)。
图10是电路输入信号，信号的频率是50Hz，幅值为1mV。经过斩波调制与放大后的信号如图11所示，电路的放大倍数是1000倍(上方曲线为放大后的信号，下方曲线为调制后的信号)。1mV的信号被放大到幅值1V。经过解调单元，高频信号被解调到低频，如图12所示。低通滤波器滤除电路解调后产生的高频噪声，还原输入信号，同时滤除电路的噪声，如图13所示。
图14a是电路的幅频响应曲线；图14b是电路的相频响应曲线。电路的增益是60dB，放大倍数是1000倍。
以上仿真结果可见，本发明超低噪声海洋电场信号放大电路的本底噪声达到1.87nV/rt(Hz)，电路中所使用的运算放大器具有极低的噪声，电路中使用的电阻是金属膜电阻。最终电路的总体噪声满足海洋电测探测的要求，体现出良好的信号放大能力，适合于海洋碳纤维电极配套使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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)
1.一种用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，包括：
斩波调制电路：用于将超低频宽带微弱海洋电场信号调制至高频信号以规避后续信号处理电路的闪烁噪声，包括调制信号输入单元及调制单元，调制单元输入端接入斩波调制信号；所述调制信号输入单元包括第一电阻及第二电阻，第一电阻的第一端接入调制信号并进一步连接至调制单元，第一电阻的第二端连接至第二电阻的第一端，第二电阻的第二端连接至调制单元，第一电阻第二端和第二电阻第一端之间的电位定义为第一电位；
电位阻抗匹配电路：用于提供斩波调制信号的参考电位和斩波调制后的电极信号的匹配阻抗，包括串联连接的第一电容和第二电容，以及，串联连接的第三电阻和第四电阻；第三电阻和第四电阻的串联端进一步与第一电容和第二电容的串联端连接，该连接点电位定义为第二电位；第二电位被配置为与第一电位相等；第一电容和第三电阻的非串联端互连并连接至斩波调制电路的输出端，第二电容和第四电阻的非串联端互连并连接至斩波调制电路的输出端；
高输入阻抗差分交流放大电路：与电位阻抗匹配电路的输出端连接，用于信号低噪声差分放大处理，同时将差分信号转换成单端信号；
斩波解调电路：用于将高频信号解调至低频信号，恢复出放大后的低频宽带信号，包括第一运算放大器，其同相输入端接入解调信号，其同相输入端和反相输入端均连接至高输入阻抗差分交流放大电路的输出端；
低通滤波电路：与斩波解调电路的输出端连接，用于滤除调制解调产生的高频噪声；
高输入阻抗直流放大电路：与低通滤波电路的输出端连接，用于电路输出的阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，所述调制单元包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管；
第一MOS管的漏极与第三MOS管的漏极互连，第二MOS管的漏极与第四MOS管的漏极互连；
第一MOS管的源极与第二MOS管的源极互连，作为斩波调制电路的第一输出端，与第一电容和第二电阻的非串联端连接；第三MOS管的源极与第四MOS管的源极互连，作为斩波调制电路的第二输出端，与第二电容和第四电阻的非串联端连接；
第一电阻的第一端连接至第一MOS管的栅极及第四MOS管的栅极；
第二电阻的第二端连接至第二MOS管的栅极及第三MOS管的栅极。
3.如权利要求1所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，所述高输入阻抗差分交流放大电路包括：第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器；
第二运算放大器的正输入端连接至第一电容和第二电阻的非串联端；第三运算放大器的正输入端连接至第二电容和第四电阻的非串联端；第二运算放大器的负输入端与第三运算放大器的负输入端连接；
第四运算放大器的负输入端连接第二运算放大器的输出端，正输入端连接第三运算放大器的输出端；
第四运算放大器的输出单连接斩波解调电路中第一运算放大器的正输入端和负输入端。
4.如权利要求3所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，所述第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器均采用低噪声运算放大器。
5.如权利要求3所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，第二运算放大器的负输入端与第三运算放大器的负输入端之间设置有电阻，第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输出端之间设置有电阻，第二运算放大器的负输入端和输出端之间设置有电阻，第三运算放大器的负输入端和输出端之间设置有电阻，高输入阻抗差分交流放大电路的各电阻均采用金属膜电阻。
6.如权利要求1所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，所述调制信号与所述解调信号为同频率同相位方波信号。
7.如权利要求1所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，所述斩波解调电路进一步包括第五MOS管，所述解调信号控制第五MOS管的通断以实现第一运算放大器的负输入端是否接地。
8.如权利要求1所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，所述低通滤波电路为二阶低通滤波电路。
9.如权利要求1所述的用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路，其特征在于，所述第三电阻和第四电阻均采用金属膜电阻。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111430266.6A CN114094946B (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111430266.6A CN114094946B (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114094946A true CN114094946A (zh) | 2022-02-25 |
| CN114094946B CN114094946B (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=80305317
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111430266.6A Active CN114094946B (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114094946B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115327202A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-11-11 | 珠海多创科技有限公司 | 一种tmr电流传感器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015037532A1 (ja) * | 2013-09-13 | 2015-03-19 | アルプス電気株式会社 | 増幅回路 |
| CN104617889A (zh) * | 2015-02-09 | 2015-05-13 | 西安电子科技大学 | 用于ExG信号采集系统的低功耗低噪声CMOS放大器 |
| CN111211751A (zh) * | 2020-03-05 | 2020-05-29 | 中国海洋大学 | 自动增益数字解调斩波放大方法及电路 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE37130E1 (en) * | 1992-05-08 | 2001-04-10 | David Fiori, Jr. | Signal conditioning apparatus |
-
2021
- 2021-11-29 CN CN202111430266.6A patent/CN114094946B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015037532A1 (ja) * | 2013-09-13 | 2015-03-19 | アルプス電気株式会社 | 増幅回路 |
| CN104617889A (zh) * | 2015-02-09 | 2015-05-13 | 西安电子科技大学 | 用于ExG信号采集系统的低功耗低噪声CMOS放大器 |
| CN111211751A (zh) * | 2020-03-05 | 2020-05-29 | 中国海洋大学 | 自动增益数字解调斩波放大方法及电路 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 刘贵豪;刘兰军;黎明;陈家林;牛炯;: "海洋电场采集电极极差自动补偿方法设计", 海洋技术学报, no. 01, 15 February 2016 (2016-02-15) * |
| 周炀;周逢道;王绪磊;: "基于斩波技术的长周期大地电磁接收系统", 实验室研究与探索, no. 08, 25 August 2020 (2020-08-25) * |
| 王志宇;王顺;方广有;张群英;: "一种新型海洋电场传感器的研究与设计", 电子测量技术, no. 01, 15 January 2017 (2017-01-15) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115327202A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-11-11 | 珠海多创科技有限公司 | 一种tmr电流传感器 |
| CN115327202B (zh) * | 2022-07-08 | 2023-11-14 | 珠海多创科技有限公司 | 一种tmr电流传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114094946B (zh) | 2024-05-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9207198B2 (en) | Electrical tomography apparatus and method and current driver | |
| US4535637A (en) | Flow detection apparatus | |
| US11061057B2 (en) | Non-contact type measuring apparatus for conductivity and permittivity of non-conductive fluid using RF signal | |
| CN114094946B (zh) | 用于电容性海洋惰性材料电极的超低噪声信号放大电路 | |
| US20130141088A1 (en) | Non-intrusive monitoring of power and other parameters | |
| CN107037382B (zh) | 一种预调制磁电阻传感器 | |
| CN102298159B (zh) | 金属检测机 | |
| CN107124179A (zh) | 一种检测微弱光电流信号的锁相放大器 | |
| CN206038762U (zh) | 一种电子互感器 | |
| CN109150123A (zh) | 一种高增益的微弱信号前置放大电路 | |
| Jiang et al. | 11.3 A hybrid multipath CMOS magnetic sensor with 210µTrms resolution and 3MHz bandwidth for contactless current sensing | |
| US9112455B2 (en) | Signal amplifying circuit for electromagnetic flow meter | |
| CN2912512Y (zh) | 具有高抑制噪声能力的心电检测电路 | |
| US20200103473A1 (en) | Configurable AC/DC Sensor Readout Architecture | |
| CN209281373U (zh) | 用于人体小信号采集设备的直流偏置消除电路 | |
| CN114124074A (zh) | 一种霍尔元件失调电压的消除装置及消除方法 | |
| CN203244392U (zh) | 基于电阻抗分析的声带检测装置 | |
| CN209030167U (zh) | 毫伏级信号隔离放大电路 | |
| CN207010651U (zh) | 一种检测微弱光电流信号的锁相放大器 | |
| CN202133637U (zh) | 应用于电解水装置的检测电路 | |
| US20140260663A1 (en) | Electromagnetic flow meter | |
| CN218301360U (zh) | 用于气体检测器的信号放大电路及气体检测器 | |
| CN205508770U (zh) | 一种离子迁移谱检测电路 | |
| CN217032618U (zh) | 一种传感器信号的浮空差分放大系统 | |
| Xie et al. | Marine Electric Field Signal Amplification Circuit with Ultra Low Noise and High Input Impedance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |