[发明专利]基于运算放大器的低噪声精密放大电路及其性能改进方法有效

专利信息
申请号: 201910000599.1 申请日: 2019-01-02
公开(公告)号: CN109743026B 公开(公告)日: 2021-05-04
发明(设计)人: 魏云梅;刘昕;赵鹏;种银保 申请(专利权)人: 重庆大学
主分类号: H03F1/26 分类号: H03F1/26;H03F1/56;H03F3/68
代理公司: 重庆航图知识产权代理事务所(普通合伙) 50247 代理人: 胡小龙
地址: 400044 *** 国省代码: 重庆;50
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摘要:
搜索关键词: 基于 运算放大器 噪声 精密 放大 电路 及其 性能 改进 方法
【说明书】:

发明公开的基于运算放大器的低噪声精密放大电路的性能改进方法,首先获取应用场景中信号源的阻抗与所需要提升的电路输出噪声、总谐波失真加噪声,并确定增益控制电位器数值和电路放大增益;根据信号源阻抗选择预设增益调整电位器原始数值;然后选择缓冲与级联反向放大电路的并联数量n并确定电位器;选择电阻单元数量;最后根据运放电路的增益计算,并结合预设增益调整电位器数值和预定输出阻抗,并加入与缓冲与级联反向放大电路配套的级联增益分割与输出相位保持的电路适配部分;该方法可显著改善基于运算放大器低噪声放大电路的噪声、总谐波失真加噪声(THD+N)性能,该放大电路可广泛应用于各种精密模拟电信号的放大场景中。

技术领域

本发明涉及模拟电子电路技术领域,特别是基于运算放大器的低噪声精密放大电路的性能改进方法。

背景技术

集成运算放大器放大器在过去几十年时间内,在现代计算机电路辅助设计与仿真,及半导体制程工艺与材料技术的不断发展的大背景下得到了飞速的发展。相应基于集成运算放大器的低噪声放大电路也在噪声、失真性能方面有了长足的进步。并以其电路的外围电路简洁,电路搭建方法自由灵活,功能电路调试周期短,器件可选范围广阔,器件间的一致性相对较高,相对分离器件电路拥有更高的稳定性,以及价格低廉等方面的魅力,目前已经成为了测量仪器信号预放与放大、专业音频前置放大与其它一切低频、超声乃至1GHz程度频率信号放大的首选实现方式。但伴随半导体制程的微缩提升,运算放大器器件内部的导体、半导体、底衬与参杂材料的各种噪声效应也在不断的凸显,并已经形成了显著的制约矛盾。在上世纪90年代AD797、LT1028为代表的高性能,低噪声低失真精密运算放大器器件发布量产后,世界范围内更高性能运算放大器的新品研发与上市推广,均开始暴露出明显的颓势。

因此,单纯依靠使用在电子电路教科书中实例的放大电路,通过替换使用更高性能的新型运算放大器来提升电路噪声、总谐波失真加噪声(THD+N)的实现套路已经变得日益艰难。与此同时,32bit 768kHz、22.4MHz DSD等高码率专业音频录音与重放、精密模拟电信号测量与仪器校准、生物弱电信号感知,以及引力波探测、地震波探测等新兴前沿应用领域,及声纳探测、超声成像、超声测距在内的精密低频模拟信号放大场景,都对放大电路的噪声、总谐波失真加噪声(THD+N)性能提出了更为苛刻的要求。

通过电路手段提升电路噪声与总失真性能,早已成为世界各大知名电子设备生产商的提升产品竞争力的惯用手段。SONY专业母带录音设备PCM3348HR的模拟录音放大部分,使用了基于运算放大器噪声、失真性能提升电路。它的原理是进行输入信号的单路输入阻抗匹配与缓冲放大,但该电路在整体噪声、失真性能上有所不足,不能满足现代32bit768kHz、22.4MHz DSD等高码率的音频应用。MBL前置音频放大器MBL6010D中使用了的基于高性能运算放大器的放大电路,其原理是利用运算放大器进行输入信号的缓冲阻抗匹配,并通过多级放大与多级电位器的方式分割总体增益与可调增益,并大量使用AD797高性能运算放大器与金属薄膜电阻。但因其单路放大电路受单个运算放大器线性功率范围的限制,为保持运算放大器的线性工作状态,其信号通路上的电阻与电位器数值仍然偏高。来自这些关键器件的噪声影响了电路整体的噪声、总谐波失真加噪声(THD+N)性能的进一步提升。HP/Agilent在34401A、3458A精密多用表的测量输入路径中,使用了基于运算放大器的高性能电路。其原理是利用运算放大器构建阻抗匹配与缓冲,再级联两路并联负载均衡放大电路。但因为单路缓冲与两路放大的方式在阻抗匹配、电路负载均衡效果上的提升有限,该电路在前沿领域的弱信号测量应用中仍是捉襟见肘。LT1028运算放大器数据表应用指导部分,公开了一种增益为1000倍的高性能的运算放大器放大电路,它的原理是通过多路并联的方式降低运算放大器的电压噪声。但该电路缺少必要的输入信号缓冲、阻抗、相位匹配,以及必要的增益控制适配功能。同时电路所需要的高精度低噪非标数值电阻,采购成本高,以及元件供货渠道不畅导致了,元件的获得性与采购风险可控性差。此外,针对多种应用所需的多数值系列元件的遍历式备货问题,也大大限制了该电路的易用性。

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