一种用于超低噪声测量的10MHz宽带放大装置的制作方法

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种用于超低噪声测量的10mhz宽带放大装置。

背景技术：

1、用于分析噪声参数的仪器有两大类，一类是dc~10hz以下的噪声（也称为直流噪声），使用高精度电压表（例如8位半万用表）进行。另一类是数百khz到上ghz的噪声（也称为中高频噪声），使用高性能频谱仪或者噪声分析仪进行分析。对于10hz~mhz级别的低频噪声测量，现有技术中缺少专用的分析仪器，主要在半导体测试系统中有类似功能，或者是基于放大器芯片自行设计测量电路。

2、关于半导体测试系统，一方面，半导体测试系统由于功能齐全性能先进，导致它的系统体积巨大，不利于实验室部署使用；同时半导体测试系统价格昂贵，对小规模用户团体或有快速简易使用需求的生产现场来说成本负担过大。另一方面，由于半导体测试系统功能过于全面，而低频噪声测量过程仅需使用半导体测试系统的噪声测量功能，对半导体测试系统的功能利用率较低，使得花费不划算。关于自行设计测量电路，目前现有设计电路在足够低的噪声、足够大的增益和足够宽的带宽这三个相互矛盾制约点之间的平衡效果不足，且由于现有设计电路的相关装置的自身噪声控制力度不足，容易导致在对被测装置进行超低噪声测量时引入的误差值较高，在抗干扰方面的兼顾效果存在欠缺。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于超低噪声测量的10mhz宽带放大装置，解决现有技术中缺少做到成本较低同时兼顾低噪声控制、增益较大以及带宽大小满足的低频噪声测量设备的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种用于超低噪声测量的10mhz宽带放大装置，包括一级放大电路和二级放大电路，所述一级放大电路的输出端与二级放大电路的输入端连接，且一级放大电路的输入端设为装置输入端，二级放大电路的输出端设为装置输出端；

4、所述一级放大电路包括：

5、高通滤波器：用于设置输入信号的低频下限值，滤除频率低于和等于频率下限值的信号；

6、一阶放大器组：用于将信号按照放大器带宽值放大，使信号达到目标噪声增益值；

7、求和电路；用于将放大器组处理的信号进行合成以生成输出信号，输入至二级放大电路；

8、所述二级放大电路包括：

9、带通滤波器：对一级放大电路产生的带外噪声进行抑制，并限制带通频率；

10、二阶放大器：对一级放大电路的放大效果进行补偿增益；

11、低通滤波器：对二级放大电路产生的带外噪声进行抑制。

12、目前现有的用于对10hz~mhz级别的低频噪声进行测量的设备主要包括半导体测试系统和独立设计电路。一方面由于半导体测试系统功能过于全面，对整个测试系统的功能利用率较低，使得花费不划算。另一方面由于目前现有设计电路在足够低的噪声、足够大的增益和足够宽的带宽这三个相互矛盾制约点之间的平衡效果不足，且由于现有设计电路的相关装置的自身噪声控制力度不足，容易导致在对被测装置进行超低噪声测量时引入的误差值较高，在抗干扰方面的兼顾效果存在欠缺。基于此，本发明提供一种用于超低噪声测量的10mhz宽带放大装置，解决现有技术中缺少做到成本较低同时兼顾低噪声控制、增益较大以及带宽大小满足的低频噪声测量设备的问题。

13、进一步地，在所述一级放大电路中，所述高通滤波器包括高通电容cin和高通电阻rt1，所述一阶放大器组包括规格相同的第一放大器a1、第二放大器a2、第三放大器a3和第四放大器a4；所述求和电路包括电阻值相同的第一求和电阻ro1、第二求和电阻ro2、第三求和电阻ro3和第四求和电阻ro4；

14、所述第一放大器a1的同相输入端与高通电阻rt1的一端、高通电容cin的一端连接至端点e1，且高通电阻rt1的另一端接地，高通电容cin的另一端设为装置输入端；所述第二放大器a2、第三放大器a3和第四放大器a4的同相输入端均连接至端点e1；所述第一放大器a1的输出端与第一求和电阻ro1的一端连接，所述第二放大器a2的输出端与第二求和电阻ro2的一端连接，所述第三放大器a3的输出端与第三求和电阻ro3的一端连接，所述第四放大器a4的输出端与第四求和电阻ro4的一端连接；所述第一求和电阻ro1的另一端、第二求和电阻ro2的另一端、第三求和电阻ro3的另一端和第四求和电阻ro4的另一端均连接至端点e2，且所述端点e2设为一级放大电路的输出端；所述第一放大器a1、第二放大器a2、第三放大器a3和第四放大器a4的反相输入端均连接设有分压支路。

15、进一步地，所述二级放大电路包括带通电阻rt2、第一带通电容cf1、第二带通电容cf2、第五放大器a5、低通电阻rfo和低通电容cf3，其中所述带通电阻rt2、第一带通电容cf1、第二带通电容cf2与求和电路中的第一求和电阻ro1、第二求和电阻ro2、第三求和电阻ro3和第四求和电阻ro4共同构成所述带通滤波器；所述低通电阻rfo和低通电容cf3构成低通滤波器；

16、所述第一带通电容cf1的一端连接至端点e2，另一端与第二带通电容cf2的一端、带通电阻rt2的一端、第五放大器a5的同相输入端连接至同一点，且第二带通电容cf2的另一端、带通电阻rt2的另一端均接地；所述第五放大器a5的反相输入端连接设有分压支路，且第五放大器a5的输出端与低通电阻rfo的一端连接，低通电阻rfo的另一端与低通电容cf3的一端连接至端点e3，且低通电容cf3的另一端接地；所述端点e3设为装置输出端。

17、进一步地，所述一级放大电路的分压支路包括阻值相同的第一分压电阻rg1、第二分压电阻rg2、第三分压电阻rg3、第四分压电阻rg4，还包括阻值相同的第一反馈电阻rf1、第二反馈电阻rf2、第三反馈电阻rf3和第四反馈电阻rf4；

18、所述第一分压电阻rg1的一端与第一放大器a1的反相输入端、第一反馈电阻rf1的一端连接至同一端点，且第一分压电阻rg1的另一端接地；第一反馈电阻rf1的另一端与第一放大器a1的输出端、第一求和电阻ro1的一端连接至同一点；

19、所述第二分压电阻rg2的一端与第二放大器a2的反相输入端、第二反馈电阻rf2的一端连接至同一端点，且第二分压电阻rg2的另一端接地；第二反馈电阻rf2的另一端与第二放大器a2的输出端、第二求和电阻ro2的一端连接至同一点；

20、所述第三分压电阻rg3的一端与第三放大器a3的反相输入端、第三反馈电阻rf3的一端连接至同一端点，且第三分压电阻rg3的另一端接地；第三反馈电阻rf3的另一端与第一放大器a3的输出端、第三求和电阻ro3的一端连接至同一点；

21、所述第四分压电阻rg4的一端与第四放大器a4的反相输入端、第四反馈电阻rf4的一端连接至同一端点，且第四分压电阻rg4的另一端接地；第四反馈电阻rf4的另一端与第四放大器a4的输出端、第四求和电阻ro4的一端连接至同一点。

22、进一步地，所述二级放大电路的分压支路包括第五分压电阻rg5和第五分压电阻rg5，所述第五分压电阻rg5的一端与第五放大器a5的反相输入端、第五反馈电阻rf5的一端连接至同一端点，且第五分压电阻rg5的另一端接地；第五反馈电阻rf5的另一端与第五放大器a5的输出端、低通电阻rfo的一端连接至同一点。

23、进一步地，所述高通电容cin用作输入电容，所述高通电阻rt1用作直流偏移电阻，

24、则所述高通电容cin和高通电阻rt1满足约束：，

25、其中fmin表示为测量频率的下限值，并将fmin的值设为10hz。

26、进一步地，所述第一放大器a1、第二放大器a2、第三放大器a3和第四放大器a4设为低噪放大器，第一反馈电阻rf1与第一分压电阻rg1、第二反馈电阻rf2与第二分压电阻rg2、第三反馈电阻rf3与第三分压电阻rg3、第四反馈电阻rf4与第四分压电阻rg4分别构成放大网络；

27、设i表示为放大器的序数，设输出电压和输入电压分别表示为vi和vin，并设反馈电阻和分压电阻分别表示为rfi和rgi；当i分别取值1,2,3,4时，vi表示第一放大器a1、第二放大器a2、第三放大器a3和第四放大器a4的对应输出电压，rfi分别表示第一反馈电阻rf1、第二反馈电阻rf2、第三反馈电阻rf3和第四反馈电阻rf4的电阻值，rgi分别表示第一分压电阻rg1、第二分压电阻rg2、第三分压电阻rg3、第四分压电阻rg4的电阻值；

28、设置输出电压vi的计算式如下：。

29、进一步地，设每个求和电阻连接至端点e2的一端的电压值表示为voi；当i分别取值1,2,3,4时，voi分别表示第一求和电阻ro1、第二求和电阻ro2、第三求和电阻ro3和第四求和电阻ro4的电压值；设端点e2处的电压总值表示为voa；设全部求和电阻的阻值相同，

30、设voa的计算式表示为：。

31、进一步地，设求和电路的输出总噪声表示为vna，并设第一放大器a1、第二放大器a2、第三放大器a3和第四放大器a4的本底噪声放大后的输出值分别表示为vn1、vn2、vn3和vn4；

32、设vna的计算式表示为：。

33、进一步地，所述带通滤波器的带通频率上限值和带通频率下限值分别设为ffh和ffl，并设置求和电阻值rox用以表示第一求和电阻ro1、第二求和电阻ro2、第三求和电阻ro3和第四求和电阻ro4中的任意一项电阻值，

34、则设所述带通频率上限值的计算式表示为：，

35、所述带通频率下限值的计算式表示为：。

36、本发明与现有技术相比，通过设置放大器组和求和电路，在不改变信号增益的情况下将测量设备的噪声降低到了原来的一半以解决噪声引入误差问题，同时在满足带宽的前提下能够先尽力实施放大增益剩余不足增益通过二级放大电路提供增益补偿，具有设计简单运行有效的优点和同时平衡满足10mhz的带宽、高倍放大倍数以及限制噪声水平的有益效果。