微弱直流信的檢測

1、學(xué)院：微電子與固體電子學(xué)院專業(yè)：微電子科學(xué)與工程班級：2014級微電2班姓名：鄧陽杰學(xué)號：2014030102022微弱直流電壓的測量鄧陽杰2014030102022摘要微弱直流電壓信號檢測技術(shù)注重的是使系統(tǒng)輸出信噪比提高，即如何抑制、屏蔽噪聲、減小誤差，這些特質(zhì)都使得微弱信號檢測技術(shù)被應(yīng)用于各個高端領(lǐng)域，并且微弱信號檢測儀器被廣泛地應(yīng)用于物理、生化、天文、地理等領(lǐng)域的科學(xué)研究工作中。故了解微弱信號檢測的相關(guān)知識是推進(jìn)現(xiàn)代測量技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。關(guān)鍵詞：檢測，原理，電路。引言目前，在微波頻段上的功率測量通常采用熱敏電阻、熱電偶和二極管檢波器這3種傳感器件，其中基于二極管檢波器的微波功率計由于測量頻

2、帶寬、動態(tài)范圍大、測量速度快，得到了廣泛應(yīng)用。二極管檢波式微波功率計是利用二極管檢波器將微波功率信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?，然后進(jìn)行測量，該方法關(guān)鍵是實現(xiàn)微弱直流信號的檢測。對應(yīng)輸入功率為-60+20dBm的微波信號，二極管檢波輸出直流電壓為0.8tLV1.6V。該信號具有動態(tài)范圍大、微弱、背景噪聲強的特點，測量過程中還會受到諸如溫差電勢、放大電路失調(diào)電壓等誤差因素的影響，能否對其準(zhǔn)確、快速檢測將決定微波功率計測量準(zhǔn)確度和測量速度【1】。目前典型的微弱信號檢測的方法有以下幾種：基于互相關(guān)接收原理的鎖定放大技術(shù)、基于混沌理論的弱信號檢測J、基于取樣積累平均理論的弱信號測量H等。作為測量儀器電路使用，

3、該設(shè)計要求對直流電壓信號的測量精度高，測量速度快，電路可靠性好，以上幾種方法雖各有優(yōu)點但并不能完全滿足該設(shè)計要求。文中采用平衡斬波、低噪聲前置級放大、帶通濾波等一系列微弱信號處理技術(shù)，實現(xiàn)了微弱直流信號的檢測，取得了良好效果。測量原理一、二極管檢波器原理檢波二極管檢波具有平方律一非平方律特性，在數(shù)學(xué)上服從于二極管檢波方程【2】：一匚(嚴(yán)-1)(1)式中：i為二極管電流；Is為飽和電流，在給定溫度下為常數(shù)；V為跨在二極管上的凈電壓；=g/(nkT)；g為電子電荷；n為適應(yīng)實驗數(shù)據(jù)的修正常數(shù)；為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。將式(1)展開成冪級數(shù)形式：叫a"咪+翳+從式(2)可以看出，由于

4、信號的正負(fù)疊加和瞬間效應(yīng)，正是該級數(shù)的二次及其他偶次項提供了整流作用。對于小信號的整流，只有二次項有意義，因此，二極管檢波器在小信號檢波時檢波的直流電流與跨接在該二極管兩端的輸入電壓的平方成正比，從而該二極管工作在平方律區(qū)域。當(dāng)高得使四次項不能忽略時，二極管按準(zhǔn)平方律整流，稱之為過渡區(qū)，再往上就到了線性檢波區(qū)。此外，二極管檢波特性還受工作環(huán)境溫度和輸入微波信號頻率的影響。圖1給出了典型的封裝二極管檢波器的平方律一非平方律檢波特性曲線。和-JO-20D20輸人，功軌dB-in)圖1二極管檢波器平方軍-非立方律檢波特性曲線二、平衡斬波原理對于低頻和直流微弱信號的測量，If噪聲是最主要的噪聲源。1/

5、f噪聲是產(chǎn)生于器件內(nèi)部的一種低頻率噪聲，它是由器件本身半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)決定的。輸入信號頻率越低，噪聲的功率譜密度越大，過低的頻率將造成待測信號完全淹沒在噪聲中，因此使用集成運算放大器等半導(dǎo)體器件的放大電路般無法直接實現(xiàn)對微弱直流信號的放大J。文中采用小信號場效應(yīng)管(MOSFET)自制平衡斬波器很好地解決了上述問題。平衡斬波技術(shù)的核心思想是利用開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷將檢波輸出直流信號轉(zhuǎn)化成交流方波信號，經(jīng)耦合后利用交流放大電路加以放大從而回避了1/f噪聲的問題。設(shè)計過程中需要注意以下3個問題：(1) 由于MOSFET源極和漏極之間存在電容C在MOSFET開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中產(chǎn)生電容反饋，為減小該

6、電容反饋，可以在MOSFET的輸出端設(shè)置負(fù)載電阻，阻值的確定需要折中考慮，阻值過大對電容反饋的削弱效果不明顯，阻值過小又會與MOSFET導(dǎo)通電阻R。形成分壓對信號造成衰減。(2)在MOSFET開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間會產(chǎn)生干擾信號，加在柵極的控制信號會容性耦合至溝道，將干擾信號加載到待測的有用信號中，直接表現(xiàn)為斬波生成的方波信號上升沿和下降沿處會出現(xiàn)噪聲尖峰，通過一個小電容耦合一個反向柵極控制信號便可以消除噪聲尖峰。(3)斬波開關(guān)控制信號頻率的確定主要出于以下考慮：首先過低的頻率會使抑制1/f噪聲的作用削弱，其次過高的頻率會引入較強的柵極感應(yīng)噪聲。三、低噪聲前置級放大原理一個完整的多級放大系統(tǒng)的總

7、噪聲系數(shù)可用弗里斯公式描述：式中：F。、為各級放大器本身的噪聲系數(shù)；K、K為各級額定功率。PA1PA2式(3)表明一個級聯(lián)放大系統(tǒng)中，越是前級噪聲系數(shù)對系統(tǒng)總噪聲系數(shù)影響越大，當(dāng)?shù)谝患壏糯笃鞯念~定功率增益足夠大時，則總噪聲系數(shù)基本上等于第一級噪聲系數(shù)，前置級放大電路的性能直接影響著整個多級放大系統(tǒng)的性能。前置級放大電路設(shè)計主要遵循以下3個原則：(1) 器件選型要選擇噪聲電壓E和噪聲電流，n盡量小的低噪聲器件，同時要考慮到與信號源的噪聲匹配。(2) 根據(jù)設(shè)計要求確定合適的耦合方式。(3) 電路形式(組態(tài)、偏置、反饋等)的選擇不僅要使電路噪聲足夠小，同時要保證電路的其他性能指標(biāo)。測量電路二極管式微

8、波功率計利用雙檢波二極管將輸入的微波信號轉(zhuǎn)化為直流信號，經(jīng)斬波后轉(zhuǎn)化為方波信號，依據(jù)信號的大小經(jīng)過量程開關(guān)選擇進(jìn)入低噪聲高增益的前置級放大電路，放大后的信號通過帶通濾波、后級放大等操作后利用A/D芯片進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過USB總線送入Pc處理，全部過程在CPLD控制下完成。微波功率計信號檢測電路如圖2所示。一、二極管檢波電路新型二極管平均功率計檢波器采用平衡配置的雙二極管檢波方式，基于多種校準(zhǔn)和補償技術(shù)，使得單個二極管平均功率探頭的動態(tài)范圍達(dá)到了一70+20dBm.二極管檢波器組件的原理如圖3所示。厲<-h圖3.極管檢波器組件原理框圏輸入的微波信號經(jīng)過隔直電容C及3dB衰減器進(jìn)入

9、50n匹配負(fù)載和雙二極管檢波器，兩個檢波二極管輸出的正負(fù)兩路直流信號通過視頻濾波電容C送入平衡斬波電路處理。這種平衡配置雙二極管全波檢波可以有效地消除低功率測量時由不同金屬連接導(dǎo)致的接觸電壓問題，提高了信噪比。二、平衡斬波電路以小信號MOSFET作為斬波器件，由CPLD控制產(chǎn)生2路頻率為440Hz的斬波控制信號CHOPP和CHOPN,2路控制信號相差半個周期，使2片MOSFET輪流導(dǎo)通，將正負(fù)2路直流轉(zhuǎn)化為l路方波信號。設(shè)計中，2片MOSFET盡可能靠近，使其工作環(huán)境溫度接近一致，相互抵消溫度漂移。圖4為平衡斬波電路原理圖。三、低噪聲放大電路平衡斬波輸出的方波信號具有較大的動態(tài)范圍，因此在信號

10、進(jìn)入低噪聲前置放大電路之前需要合適的量程切換。前置級放大電路由共射極高B雙極晶體管和低噪聲精密運算放大器組成，與信號源之間（待測信號）的耦合方式選擇直接耦合晶體管和運算放大器共同構(gòu)成負(fù)反饋放大電路。前置級放大電路的晶體管需要工作在一定的工作點上，這由晶體管本身特性和外加偏置電壓決定，為了避免偏置電壓造成放大電路的噪聲性能下降，文中使用2組電源供電，同時設(shè)計了相應(yīng)的電源濾波電路。為了防止電路發(fā)生自激振蕩，對其進(jìn)行相位補償。經(jīng)過放大的信號經(jīng)帶通濾波和后級放大后即可進(jìn)行ADC采集。圖5為前置級放大電路原理框圖。A<51-廠|&可匕曲-5V鉆.T，ri4尹圖5前賣級放大電路原瑾框BB01：T2總結(jié)在實際應(yīng)用中，人們要檢測的信號種類繁多，只有掌握了檢