CN204334485U - 一种低噪差分前置放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低噪差分前置放大器，该电路包括前后两级，相互之间直流耦合；前级是JFET为主构成的低噪声反相放大器，后级是运放构成的差分运算放大电路，电路的整体结构属于3运放仪表放大器的拓扑结构；电路输入端的任一个输入臂是由低噪声JFET管结合高精度运算放大器N1、N2组成，两臂信号构建成差分信号，通过高共模抑制比运算放大器N3将其差分放大；低噪声JFET管及N1构成的基本低噪放大电路充当N3反相输入臂，而另一片低噪声JFET管及N2构成的基本低噪放大电路充当N3同相输入臂，将N3输入信号作一级低噪声缓冲放大，降低N3器件本身输入端噪声对电路整体噪声的影响。

Description

一种低噪差分前置放大器

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，具体涉及一种低噪差分前置放大器。

背景技术

压电陶瓷片构成的水听器具有输出阻抗高、信号微弱等特点，其阻抗呈现容性特征，等效输出阻抗随着工作频率降低而提高。因而与水听器接口的前置放大器需要完成两个功能——阻抗转换和低噪声微弱信号放大。当水听器设计成差分输出结构时，需要差分输入结构的前置放大器与之匹配才能收到良好的共模抵消效果。

当前业内包括我所大多数差分水听器前置放大器电路由低噪声仪表运算放大器构成，因其结构小巧、低功耗、调试简单等优点，广泛应用于各种水声工程和产品中。然而在某些海洋环境监测等领域的仪器开发中，随着频率降低和频带扩展，特别是单个水听器应用的场合，得不到空间增益加权，单通道信噪比直接决定了整个设备的信噪比，这就要求差分水听器前置放大器具有更低的噪声性能，由运算放大器构成的差分前置放大器其噪声已经不能满足这一类需求。

目前为止，国外各主要芯片厂商上市产品中噪声性能指标最好的几款低噪声运算放大器型号，其组成的前置放大器与水听器阻抗匹配以后，在20Hz～10kHz频率范围内的宽带噪声指标均远远大于1μVrms。

而根据530海洋环境监测浮标和潜标项目的指标需求，差分前置放大器在20Hz～10kHz频率范围内的宽带噪声指标小于1μVrms。

通用型低噪仪表运算放大器为了拓宽应用范围的广泛性，在性能上会有一定的妥协，所以噪声性能不能达到极致。通常集成运放其噪声性能指标比低噪声晶体管的噪声大得多，因而设计更低噪声的差分前置放大器首选低噪声晶体管来构成分立放大器电路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种低噪差分前置放大器。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的。这种低噪差分前置放大器，该电路包括前后两级，相互之间直流耦合；前级是JFET为主构成的低噪声反相放大器，后级是运放构成的差分运算放大电路，电路的整体结构属于3运放仪表放大器的拓扑结构；电路输入端的任一个输入臂是由低噪声JFET管结合高精度运算放大器N1、N2组成，两臂信号构建成差分信号，通过高共模抑制比运算放大器N3将其差分放大；低噪声JFET管及N1构成的基本低噪放大电路充当N3反相输入臂，而另一片低噪声JFET管及N2构成的基本低噪放大电路充当N3同相输入臂，将N3输入信号作一级低噪声缓冲放大，降低N3器件本身输入端噪声对电路整体噪声的影响。

更进一步的，高精度运算放大器N1结合JFET管组成的缓冲放大环节，增加了输入臂电路的开环增益，通过引入深度负反馈，电路增益由反馈网络的比例决定，而JFET的噪声决定了输入臂的信噪比。

本实用新型的有益效果为：以JFET结合运算放大器为基础构成的低噪声放大电路；以JFET结合运算放大器为基础构成的低噪声放大电路替代3运放仪表放大器的2个输入臂，降低传统仪表放大器输入臂的噪声；该电路就是利用JFET的低噪声构成差分放大器的低噪声输入臂，结合高共模抑制比运算放大器实现差分输入信号的共模抑制，从而实现低噪声的目的。实际电路测试表明，水听器电容量为2000pF时，前置放大器等效输入噪声在10Hz～20kHz宽带频率范围内小于1μVrms。前放应用到530声学潜标、530声学浮标两个项目中，与水听器集成后，整机噪声性能达到工作频带内噪声小于1μVrms的技术指标。

附图说明

图1为本实用新型的前置放大器电路框图；

图2为前置放大器幅频特性图；

图3为前置放大器噪声测量系统图；

图4为前置放大器噪声频谱图；

图5为前置放大器等效噪声源级。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型做详细的介绍：

本电路可以分为3个部分进行，分为前后两级，相互之间直流耦合。前级是JFET为主构成的低噪声反相放大器，后级是运放构成的差分运算放大电路。电路的整体结构属于3运放仪表放大器的拓扑结构。电路输入端的任一个输入臂是由低噪声JFET管结合高精度运算放大器N1、N2组成，两臂信号构建成差分信号，通过高共模抑制比运算放大器N3将其差分放大，低噪声前置放大器电路框图如图1所示。该电路就是利用JFET的低噪声构成差分放大器的低噪声输入臂，结合高共模抑制比运算放大器实现差分输入信号的共模抑制，从而实现低噪声的目的。器件N3构成差分信号减法运算，与3运放仪表放大器的拓扑结构相同。低噪声JFET管及N1构成的基本低噪放大电路充当N3反相输入臂，而另一片低噪声JFET管及N2构成的基本低噪放大电路充当N3同相输入臂，将N3输入信号作一级低噪声缓冲放大，降低N3器件本身输入端噪声对电路整体噪声的影响。

高精度运算放大器N1结合JFET管组成的缓冲放大环节，增加了输入臂电路的开环增益，通过引入深度负反馈，电路增益由反馈网络的比例决定，而JFET的噪声决定了输入臂的信噪比。

2个输入臂电路在无反馈条件下，其总噪声系数F由弗里斯公式(1)确定：

$F=F_1+\frac{F_2-1}{K_1}---\left(1\right)$

式中，K₁为第一级放大倍数，F₁为第一级噪声系数。可见，降低整体电路的噪声系数的关键是降低第一级的噪声系数F₁和增大第一级的放大倍数K₁。

对于第一级JFET放大器，K₁由下式(2)决定：

$K_1=-\frac{g_m\×R_d}{1+g_m\×R_s}---\left(2\right)$

调整第一级JFET的R_d、R_s的比值使K₁为100倍时，式(2)中运放引入的噪声系数F₂影响可忽略，因而N1、N2运放可选择普通运放即可满足设计要求。

通常，当前置放大器的最佳源电阻Rsopt与水听器输出电阻匹配时，才能获得放大器最小的噪声系数Fmin，这时放大器的最佳源电阻为：

R_so＝e_N/i_N   (3)

式中，e_N和i_N分别为放大器的等效输入电压噪声和等效输入电流噪声。显然，在设计前置放大器时，首要的问题是根据水听器的输出阻抗，选择主要使用器件的类型。

在分立元件中，与双极型晶体管(BJT)相比，结型场效应管(JFET)的等效输入电压噪声e_N与BJT大体相当或略高，但其电流噪声i_N比BJT要低2～3个数量级，达到10e-3pA/√Hz，使得JFET的最佳源电阻较大。由式(3)可知，JFET前置放大器的最佳源电阻可比BJT要高2～3个数量级。所以为了与高内阻水听器相匹配，本方案设计中选择的主要器件为JFET。

在JFET器件选型上，选择e_N小、g_m高、R_gs大、C_gs小的低噪声N沟道音频JFET系列，该类器件电压噪声密度最小可达比低噪声运算放大器噪声电压密度低3～4倍。

N3选择高共模抑制比的运算放大器，N3放大电路的增益设计成1倍，当输入臂放大量远大于1倍时，N3器件噪声远小于两个输入臂的输出噪声，N3噪声可忽略，整体电路噪声取决于输入臂的噪声，实际上取决于JFET的噪声性能。

该差分前置放大器的共模抑制比由N3的共模抑制比和N1、N2构成的2个输入臂的放大量一致性决定。N3的共模抑制比远高于两个输入臂的放大量一致性，当两臂放大量误差为1％时，整体电路共模抑制比为：

CMRR＝20×log(0.01)＝-40(dB)   (4)

对实际电路进行测试。电路为差分输入、差分输出，放大量26dB，输入阻抗20MΩ。10Hz～20kHz频带内幅频特性测量结果如图2所示。在低频10Hz开始-1dB的衰减，中频段直至20kHz以上保持幅频特性平坦。

在水听器等效电容2000pF时，对电路进行了噪声测量，噪声测量系统框图如图3所示，测得噪声结果如图4所示，

以灵敏度为-197dB水听器为例，其等效噪声源级如图5所示，小于0级海况深海环境噪声谱密度。

多个实际电路板不同频带下的输入等效噪声测试结果如表1所示，表1为前置放大器输入等效噪声值表。

频段(Hz)	1#电路	2#电路	3#电路	4#电路	5#电路
						10Hz～20kHz	1.01	1.15	1.05	1.17	1.11
10Hz～10kHz	0.81	0.88	0.80	0.89	0.89
						20Hz～10kHz	0.76	0.85	0.77	0.87	0.81

表1

以上对本实用新型的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型权利要求的保护的情况，作出本实用新型的其它结构变形和实施方式，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种低噪差分前置放大器，其特征在于：该电路包括前后两级，相互之间直流耦合；前级是JFET为主构成的低噪声反相放大器，后级是运放构成的差分运算放大电路，电路的整体结构属于3运放仪表放大器的拓扑结构；电路输入端的任一个输入臂是由低噪声JFET管结合高精度运算放大器N1、N2组成，两臂信号构建成差分信号，通过高共模抑制比运算放大器N3将其差分放大；低噪声JFET管及N1构成的基本低噪放大电路充当N3反相输入臂，而另一片低噪声JFET管及N2构成的基本低噪放大电路充当N3同相输入臂，将N3输入信号作一级低噪声缓冲放大，降低N3器件本身输入端噪声对电路整体噪声的影响。

2.根据权利要求1所述的低噪差分前置放大器，其特征在于：高精度运算放大器N1结合JFET管组成的缓冲放大环节，增加了输入臂电路的开环增益，通过引入深度负反馈，电路增益由反馈网络的比例决定，而JFET的噪声决定了输入臂的信噪比。