一种低噪声低功耗的微弱信号调理电路设计论文_李超

本文介绍了一种低噪声低功耗的微弱信号调理电路设计方法，主要从低噪声、低功耗的调理电路两方面进行阐述，设计一款频带宽度在17kHz--30kHz左右的带通滤波器。根据理论计算和软件仿真，到了一个合理的设计方案。仿真与实测结果表明：输入噪声控制在35nV/√Hz，频带范围内增益大约在57dB，功耗不大于50mW。 关键字：低噪声 低功耗 带通滤波器

0 引言

在水下通信中，声呐接收到的信号有着信号强度低、频率混杂的特点，那么设计一款放大、滤波的调理电路就显得尤为重要。滤波器作为调理电路的一种，是具有将特定频率选择通过或者抑制的电路，它能使我们需要的频率信号通过，于此同时抑制(或衰减)无用的传送频率信号[1]。带通滤波器作为被广泛应用的一种调理电路，对于其性能提出了更高的要求，迫切要求采用低电压模拟电路来降低功耗，低电压、低功耗的模拟电路设计技术日益成为人们研究的热点问题。从能源角度来考虑，低功耗不仅是电池驱动便携式设备的迫切需要，而且也是大型水下无人设备的需求[2]。传统设计的调理电路功耗比较大，不能满足部分设备的电池供电需求，而低噪声的设计对于微弱信号的调理电路来说也及其重要，本次设计我们探究一种低噪声低功耗的微弱信号调理电路设计，意旨在为工程设计方案作出参考。

1、整体设计方案

图1 整体设计方案框图

由图1整体设计可知，输入信号经过初级放大及滤波电路，将无用的信号滤除，将有用的信号放大输出。在设计的过程中需要考虑低功耗、低噪声及信号的滤波与放大等方面，分别介绍如下：

2 低噪声、低功耗设计

2.1 运放的选择

根据整体方案设计，为了优化资源使用率，选用两款不同的运算放大器实现放大和滤波两种功能。

首先选择实现放大功能的运放。根据总增益57dB分解，两级分别放大28.5d（A≈26.6倍），根据工程实践经验，一般选择增益带宽积GBP满足：

GBP≥1.5×（A×f）≈1.5×（26.6×30）kHz≈1.2MHz；

为了实现输出波形峰值电压大于1.25V、输出频率带宽17kHz--30kHz的信号，根据压摆率SR计算公式，满足：

SR＞2πUmaxfout≈0.2V/us；

基于我们研究对象本次设计选用AD公司的LT6013芯片完成放大功能，除了满足以上两个条件外，还具有低功耗、低噪声、低输入偏置电流和单电源供电等特点。电源电流（功耗）低至145uA，电压噪声密度9.5nV/√Hz，电流噪声密度0.15pA/√Hz，输入偏置电流100pA，单电源供电范围2.7V～18V。

然后选择实现17kHz--30kHz滤波功能的运放。根据工程实践经验，一般选择增益带宽积GBP满足[3]：

GBP≥100×fout=3MHz；

基于我们研究对象本次设计选用AD公司的LT1352双运放芯片完成滤波功能，除了增益带宽积满足条件外，还具有高压摆率和低功耗等特点，压摆率200V/us，电源电流（功耗）低至250uA。[5]

本次设计电源电路采用MAXIN公司的线性稳压器MAX17651以及LINEAR公司的负输出DC/DC转换芯片LTC1983-5实现±2.5V电源输出。

线性稳压器的输出电压平稳，具有纹波小和噪声低的特点。MAX17651芯片具有极低的静态电流（功耗）8uA，具有宽输入电压范围4V～60V，宽输出电压0.6V～59V，高额定负载100mA，转换效率高达92%。

LTC1983-5芯片具有极低的静态电流（功耗）25uA，输入电压范围、输出电压范围和输出负载满足使用要求。

2.2 电路低噪声设计

由于第一级放大倍数较高，电路噪声等效来源于前端输入，所以，第一级放大电路的设计尤为重要。在电路形式的选择上，尽量选用元器件个数少的电路形式；由于电阻的热噪声影响，电路的输入电阻要尽可能的小；在PCB布局时，将电源等噪声源远离第一级放大电路。

基于本次电路设计的电路特性及芯片特性，计算等效输入噪声的理论值[4]：

Vn（噪）=√（en2+4kTRs+（in+Rs）2）

其中，en=9.5nV/√Hz，in=0.15pA/√Hz，Rs为输入电阻，本次设计取值30kHz，k为波尔兹曼常数取1.38×10-23J/K，T取绝对温度300K（27℃）。

计算Vn（噪）=24.3nV/√Hz，满足要求的等效输入噪声小于35nV/√Hz的要求。

3 带通滤波设计及仿真

根据滤波函数类型，可分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器以及椭圆滤波器等。常用的滤波电路形式有无限增益多路反馈电路和压控电压源电路。根据需求不同，可以选择不同类型的组合。

本次滤波器电路设计选用巴特沃斯与压控电压源电路的简化版（Sallen-key）的组合。巴特沃斯滤波器具有非常平坦的通频带内幅频特性曲线的幅度，Sallen-key具有非常简单的电路形式和相对较少的元器件数量。使用四阶低通滤波器与四阶高通滤波器的组合实现了17kHz--30kHz宽频带的滤波，其整体滤波特性如下图所示。

图2 滤波器的滤波特性

4 实验结果与分析

搭建实验电路，PCB图及实物图如下：

图3 PCB图 图4 实物图

经过实验室测量，该电路通频带16.8kHz--30.3kHz，等效输入噪声33nV/√Hz，频带范围内增益57.2dB，功耗25mW。

5 结论

本文设计的低噪声低功耗微弱信号调理电路理论与实际测试电路结果表明各项测试指标均能满足设计要求，功耗低，频带的选择性良好，具有较好的稳定性，验证了设计的可行性，非常适合电池供电的大型设备微弱信号调理电路的长时间工作需求。

[1] 张亚，黄克平.有源模拟带通滤波器的设计[J].电子科技.2009.

[2] 谢强.CMOS低功耗运算放大器的设计与研究.湖南大学硕士论文.2006.

[3] Bonnie C. Baker.为滤波器选择合适的运算放大器.摘自产通网.

[4] ANALOG DEVICES Inc.Single/Dual 145uA,9.5nV/√Hz,Av≥5,Rail-toRail Output

Precision Op Amps . 2004.

[5] ANALOG DEVICES Inc.Dual and Quad 250uA,3MHz,200V/us Operational

Amplifiers .1996.

论文作者:李超

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第21期

论文发表时间:2020/5/8