摘 要： 低頻噪聲是表征半導體器件質量和可靠性的一個重要敏感參數，為了能夠測量電子器件低頻噪聲，使用分立器件SSM?2220組成偏置電路，由ADA4898?1構成前置放大器，採用噪聲匹配變壓器法設計一種測量低頻低噪聲的放大器。實驗結果表明：在頻率為80 kHz以下，放大器輸入端共模抑制比高出集成運放OP?37 228 dB，其系統的噪聲係數低於前置放大器ADA?40752 0.3 dB，滿足低頻低噪測量放大器的設計要求。
關鍵詞： 分立元件； 前置放大器； 噪聲匹配變壓器； 低頻噪聲測量
中圖分類號： TN722.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0116?04
Design of low frequency and low noise measuring amplifier
CHEN Xiaojuan1， FAN Xinxin2， WU Jie3
（1. College of Electronical and Information Engineering， Changchun University of science and Technology， Changchun 130022， China；
2. School of Information Engineering， Northeast Dianli University， Jilin 132012， China；
3. School of Electrical & Information Engineering， Beihua University， Jilin 132013， China）
Abstract： The low?frequency noise is an important sensitive parameter to character the quality and reliability of semiconductor devices. To detect the low?frequency noise of electronic devices， an amplifier measuring the low?frequency and low noise was designed by means of the method of noise matching transformer， in which there are a biasing circuit composed of the discrete device SSM?2220 and a preamplifier constituted with ADA4898?1. The experimental results show that the common?mode rejection at input end of the amplifier is 228 dB higher than that of OP?37 as the frequency is below 80 kHz， and the system noise coefficient is 0.3 dB lower than that of preamplifier ADA?40752. This amplifier can meet the design requirements of low frequency and low noise detecting amplifier.
Keywords： discrete component； preamplifier； noise matching transformer； low frequency noise detection
0 引 言
低頻噪聲是表征半導體器件質量和可靠性的一個重要敏感參數[1?2]，然而，常溫下電子器件低頻噪聲極其微弱，其噪聲電壓往往集中於nV級別，這給噪聲的測量帶來了很大的困難。
GaAsFET（砷化鎵場效應電晶體）具有超低噪聲係數，被廣泛用來設計前置低噪聲放大器，但是GaAsFET適用於在高頻、超高頻以及微波無線電頻放大器電路，無法滿足對低頻放大器的設計要求[3]，因此迫切需要設計出能應用於低頻超低噪聲放大同時具有類似於GaAsFET超低噪聲係數的放大器。
1 低噪聲測量放大器設計的基本結構
低頻噪聲測量放大器設計的基本結構如圖1所示，它包括噪聲匹配變壓器、前置級放大電路、帶通濾波器和後級放大電路四部分。
式中：K為波爾茲曼常數1.38×10-23 J/K；T取296 K，Eni為單位頻率下的等效輸入噪聲；RS取決於待測信號源的阻抗，本文中信號源內阻RS取100 Ω，1 kHz時，Eni為1.47×10-9 V/（Hz）1/2，計算出放大器的系統噪聲係數為1.22 dB ，說明設計的放大器對本底噪聲的抑制能力很強，具有GaAsFET 的低噪聲係數特徵，優於同類型市場上的前置放大器，比如ADI公司的麥克風前置放大器（ADA?40752）性能為1.5 dB超低噪聲係數。
2.5 放大器的性能指標
根據上述分析的結果，可以確定要設計nV級低頻噪聲測量放大器的主要性能指標如下：差分放大器的增益為112.00 dB；共模抑制比為353.90 dB；放大器的輸入阻抗為1.20×104 Ω，輸出阻抗為 4.12×10-5 Ω；通頻帶為0.90 Hz～80.20 kHz；等效輸入噪聲為1.47×10-9 V/（Hz）1/2；系統噪聲係數為1.22 dB。
3 結 語
在本文中，設計了nV級低頻噪聲測量放大器。使用了噪聲匹配變壓器，降低了放大電路的背景噪聲。選用了由分立器件SSM?2220組成差放，消除電路共模信號，運用超低噪聲運放ADA4898，組建二級放大電路。實驗結果表明，該款噪聲測量放大器的噪聲係數和共模抑制比遠大於市場上大部分低頻低噪聲放大器的數值 ，並且設計電路滿足0.90 Hz～80.20 kHz範圍內對低頻噪聲測量的要求。 參考文獻
[1] 戴逸松，張慶敏，張新發，等.低頻噪聲精確測量裝置的設計[J].儀器儀表學報，1991，12（1）：9?14.
[2] 陳文豪，杜磊，莊奕琪，等.電子器件散粒噪聲測試方法研究[J].物理學報，2011，60（5）：159?166.
[3] 安慰東，劉傑，包德州，等.納伏級微弱信號放大電路的設計[J].電子測試，2012（8）：52?55.
[4] SCANDURRA G， CIOFI C. Multi?channel cross?correlation for increasing sensitivity in voltage noise measurements [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference. Graz： IEEE， 2012： 1524?1528.
[5] SCANDURRA G， GIUSI G， CIOFI C. Multichannel amplifier topologies for high?sensitivity and reduced measurement time in voltage noise measurements [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2013， 62（5）： 1145?1153.
[6] Analog Devices. Low cost， low power instrumentation amplifier ADA4898 [R]. Dallas： Analog Devices， 2004.
關鍵詞： 分立元件； 前置放大器； 噪聲匹配變壓器； 低頻噪聲測量
中圖分類號： TN722.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0116?04
Design of low frequency and low noise measuring amplifier
CHEN Xiaojuan1， FAN Xinxin2， WU Jie3
（1. College of Electronical and Information Engineering， Changchun University of science and Technology， Changchun 130022， China；
2. School of Information Engineering， Northeast Dianli University， Jilin 132012， China；
3. School of Electrical & Information Engineering， Beihua University， Jilin 132013， China）
Abstract： The low?frequency noise is an important sensitive parameter to character the quality and reliability of semiconductor devices. To detect the low?frequency noise of electronic devices， an amplifier measuring the low?frequency and low noise was designed by means of the method of noise matching transformer， in which there are a biasing circuit composed of the discrete device SSM?2220 and a preamplifier constituted with ADA4898?1. The experimental results show that the common?mode rejection at input end of the amplifier is 228 dB higher than that of OP?37 as the frequency is below 80 kHz， and the system noise coefficient is 0.3 dB lower than that of preamplifier ADA?40752. This amplifier can meet the design requirements of low frequency and low noise detecting amplifier.
Keywords： discrete component； preamplifier； noise matching transformer； low frequency noise detection
0 引 言
低頻噪聲是表征半導體器件質量和可靠性的一個重要敏感參數[1?2]，然而，常溫下電子器件低頻噪聲極其微弱，其噪聲電壓往往集中於nV級別，這給噪聲的測量帶來了很大的困難。
GaAsFET（砷化鎵場效應電晶體）具有超低噪聲係數，被廣泛用來設計前置低噪聲放大器，但是GaAsFET適用於在高頻、超高頻以及微波無線電頻放大器電路，無法滿足對低頻放大器的設計要求[3]，因此迫切需要設計出能應用於低頻超低噪聲放大同時具有類似於GaAsFET超低噪聲係數的放大器。
1 低噪聲測量放大器設計的基本結構
低頻噪聲測量放大器設計的基本結構如圖1所示，它包括噪聲匹配變壓器、前置級放大電路、帶通濾波器和後級放大電路四部分。
式中：K為波爾茲曼常數1.38×10-23 J/K；T取296 K，Eni為單位頻率下的等效輸入噪聲；RS取決於待測信號源的阻抗，本文中信號源內阻RS取100 Ω，1 kHz時，Eni為1.47×10-9 V/（Hz）1/2，計算出放大器的系統噪聲係數為1.22 dB ，說明設計的放大器對本底噪聲的抑制能力很強，具有GaAsFET 的低噪聲係數特徵，優於同類型市場上的前置放大器，比如ADI公司的麥克風前置放大器（ADA?40752）性能為1.5 dB超低噪聲係數。
2.5 放大器的性能指標
根據上述分析的結果，可以確定要設計nV級低頻噪聲測量放大器的主要性能指標如下：差分放大器的增益為112.00 dB；共模抑制比為353.90 dB；放大器的輸入阻抗為1.20×104 Ω，輸出阻抗為 4.12×10-5 Ω；通頻帶為0.90 Hz～80.20 kHz；等效輸入噪聲為1.47×10-9 V/（Hz）1/2；系統噪聲係數為1.22 dB。
3 結 語
在本文中，設計了nV級低頻噪聲測量放大器。使用了噪聲匹配變壓器，降低了放大電路的背景噪聲。選用了由分立器件SSM?2220組成差放，消除電路共模信號，運用超低噪聲運放ADA4898，組建二級放大電路。實驗結果表明，該款噪聲測量放大器的噪聲係數和共模抑制比遠大於市場上大部分低頻低噪聲放大器的數值 ，並且設計電路滿足0.90 Hz～80.20 kHz範圍內對低頻噪聲測量的要求。 參考文獻
[1] 戴逸松，張慶敏，張新發，等.低頻噪聲精確測量裝置的設計[J].儀器儀表學報，1991，12（1）：9?14.
[2] 陳文豪，杜磊，莊奕琪，等.電子器件散粒噪聲測試方法研究[J].物理學報，2011，60（5）：159?166.
[3] 安慰東，劉傑，包德州，等.納伏級微弱信號放大電路的設計[J].電子測試，2012（8）：52?55.
[4] SCANDURRA G， CIOFI C. Multi?channel cross?correlation for increasing sensitivity in voltage noise measurements [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference. Graz： IEEE， 2012： 1524?1528.
[5] SCANDURRA G， GIUSI G， CIOFI C. Multichannel amplifier topologies for high?sensitivity and reduced measurement time in voltage noise measurements [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2013， 62（5）： 1145?1153.
[6] Analog Devices. Low cost， low power instrumentation amplifier ADA4898 [R]. Dallas： Analog Devices， 2004.
收藏