[發(fā)明專利]基于運(yùn)算放大器的低噪聲精密放大電路及其性能改進(jìn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910000599.1
• 申請(qǐng)日: 2019-01-02
• 公開（公告）號(hào): CN109743026B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏云梅;劉昕;趙鵬;種銀保
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): H03F1/26
• 分類號(hào): H03F1/26;H03F1/56;H03F3/68
• 代理公司: 重慶航圖知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 50247
• 代理人: 胡小龍

本發(fā)明公開的基于運(yùn)算放大器的低噪聲精密放大電路的性能改進(jìn)方法，首先獲取應(yīng)用場(chǎng)景中信號(hào)源的阻抗與所需要提升的電路輸出噪聲、總諧波失真加噪聲，并確定增益控制電位器數(shù)值和電路放大增益；根據(jù)信號(hào)源阻抗選擇預(yù)設(shè)增益調(diào)整電位器原始數(shù)值；然后選擇緩沖與級(jí)聯(lián)反向放大電路的并聯(lián)數(shù)量n并確定電位器；選擇電阻單元數(shù)量；最后根據(jù)運(yùn)放電路的增益計(jì)算，并結(jié)合預(yù)設(shè)增益調(diào)整電位器數(shù)值和預(yù)定輸出阻抗，并加入與緩沖與級(jí)聯(lián)反向放大電路配套的級(jí)聯(lián)增益分割與輸出相位保持的電路適配部分；該方法可顯著改善基于運(yùn)算放大器低噪聲放大電路的噪聲、總諧波失真加噪聲(THD+N)性能，該放大電路可廣泛應(yīng)用于各種精密模擬電信號(hào)的放大場(chǎng)景中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及模擬電子電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是基于運(yùn)算放大器的低噪聲精密放大電路的性能改進(jìn)方法。

背景技術(shù)

集成運(yùn)算放大器放大器在過去幾十年時(shí)間內(nèi)，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)電路輔助設(shè)計(jì)與仿真，及半導(dǎo)體制程工藝與材料技術(shù)的不斷發(fā)展的大背景下得到了飛速的發(fā)展。相應(yīng)基于集成運(yùn)算放大器的低噪聲放大電路也在噪聲、失真性能方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。并以其電路的外圍電路簡(jiǎn)潔，電路搭建方法自由靈活，功能電路調(diào)試周期短，器件可選范圍廣闊，器件間的一致性相對(duì)較高，相對(duì)分離器件電路擁有更高的穩(wěn)定性，以及價(jià)格低廉等方面的魅力，目前已經(jīng)成為了測(cè)量?jī)x器信號(hào)預(yù)放與放大、專業(yè)音頻前置放大與其它一切低頻、超聲乃至1GHz程度頻率信號(hào)放大的首選實(shí)現(xiàn)方式。但伴隨半導(dǎo)體制程的微縮提升，運(yùn)算放大器器件內(nèi)部的導(dǎo)體、半導(dǎo)體、底襯與參雜材料的各種噪聲效應(yīng)也在不斷的凸顯，并已經(jīng)形成了顯著的制約矛盾。在上世紀(jì)90年代AD797、LT1028為代表的高性能，低噪聲低失真精密運(yùn)算放大器器件發(fā)布量產(chǎn)后，世界范圍內(nèi)更高性能運(yùn)算放大器的新品研發(fā)與上市推廣，均開始暴露出明顯的頹勢(shì)。

因此，單純依靠使用在電子電路教科書中實(shí)例的放大電路，通過替換使用更高性能的新型運(yùn)算放大器來提升電路噪聲、總諧波失真加噪聲(THD+N)的實(shí)現(xiàn)套路已經(jīng)變得日益艱難。與此同時(shí)，32bit 768kHz、22.4MHz DSD等高碼率專業(yè)音頻錄音與重放、精密模擬電信號(hào)測(cè)量與儀器校準(zhǔn)、生物弱電信號(hào)感知，以及引力波探測(cè)、地震波探測(cè)等新興前沿應(yīng)用領(lǐng)域，及聲納探測(cè)、超聲成像、超聲測(cè)距在內(nèi)的精密低頻模擬信號(hào)放大場(chǎng)景，都對(duì)放大電路的噪聲、總諧波失真加噪聲(THD+N)性能提出了更為苛刻的要求。

通過電路手段提升電路噪聲與總失真性能，早已成為世界各大知名電子設(shè)備生產(chǎn)商的提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的慣用手段。SONY專業(yè)母帶錄音設(shè)備PCM3348HR的模擬錄音放大部分，使用了基于運(yùn)算放大器噪聲、失真性能提升電路。它的原理是進(jìn)行輸入信號(hào)的單路輸入阻抗匹配與緩沖放大，但該電路在整體噪聲、失真性能上有所不足，不能滿足現(xiàn)代32bit768kHz、22.4MHz DSD等高碼率的音頻應(yīng)用。MBL前置音頻放大器MBL6010D中使用了的基于高性能運(yùn)算放大器的放大電路，其原理是利用運(yùn)算放大器進(jìn)行輸入信號(hào)的緩沖阻抗匹配，并通過多級(jí)放大與多級(jí)電位器的方式分割總體增益與可調(diào)增益，并大量使用AD797高性能運(yùn)算放大器與金屬薄膜電阻。但因其單路放大電路受單個(gè)運(yùn)算放大器線性功率范圍的限制，為保持運(yùn)算放大器的線性工作狀態(tài)，其信號(hào)通路上的電阻與電位器數(shù)值仍然偏高。來自這些關(guān)鍵器件的噪聲影響了電路整體的噪聲、總諧波失真加噪聲(THD+N)性能的進(jìn)一步提升。HP/Agilent在34401A、3458A精密多用表的測(cè)量輸入路徑中，使用了基于運(yùn)算放大器的高性能電路。其原理是利用運(yùn)算放大器構(gòu)建阻抗匹配與緩沖，再級(jí)聯(lián)兩路并聯(lián)負(fù)載均衡放大電路。但因?yàn)閱温肪彌_與兩路放大的方式在阻抗匹配、電路負(fù)載均衡效果上的提升有限，該電路在前沿領(lǐng)域的弱信號(hào)測(cè)量應(yīng)用中仍是捉襟見肘。LT1028運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表應(yīng)用指導(dǎo)部分，公開了一種增益為1000倍的高性能的運(yùn)算放大器放大電路，它的原理是通過多路并聯(lián)的方式降低運(yùn)算放大器的電壓噪聲。但該電路缺少必要的輸入信號(hào)緩沖、阻抗、相位匹配，以及必要的增益控制適配功能。同時(shí)電路所需要的高精度低噪非標(biāo)數(shù)值電阻，采購成本高，以及元件供貨渠道不暢導(dǎo)致了，元件的獲得性與采購風(fēng)險(xiǎn)可控性差。此外，針對(duì)多種應(yīng)用所需的多數(shù)值系列元件的遍歷式備貨問題，也大大限制了該電路的易用性。