微弱直流信号的检测.doc

微弱直流电压的测量

学院：微电子与固体电子学院
专业：微电子科学与工程
班级：2014级微电2班
姓名：邓阳杰
学号：2014030102022

微弱直流电压的测量
邓阳杰 2014030102022

摘要

微弱直流电压信号检测技术注重的是使系统输出信噪比提高，即如何抑制、屏蔽噪声、减小误差，这些特质都使得微弱信号检测技术被应用于各个高端领域，并且微弱信号检测仪器被广泛地应用于物理、生化、天文、地理等领域的科学研究工作中。故了解微弱信号检测的相关知识是推进现代测量技术进步的关键。

关键词：检测，原理，电路。

引言
目前，在微波频段上的功率测量通常采用热敏电阻、热电偶和二极管检波器这3种传感器件，其中基于二极管检波器的微波功率计由于测量频带宽、动态范围大、测量速度快，得到了广泛应用。
二极管检波式微波功率计是利用二极管检波器将微波功率信号转变为直流电压信号，然后进行测量，该方法关键是实现微弱直流信号的检测。对应输入功率为-60—+20 dB·m的微波信号，二极管检波输出直流电压为0．8 tLV～1．6 V⋯ 。该信号具有动态范围大、微弱、背景噪声强的特点，测量过程中还会受到诸如温差电势、放大电路失调电压等误差因素的影响，能否对其准确、快速检测将决定微波功率计测量准确度和测量速度【1】。目前典型的微弱信号检测的方法有以下几种：基于互相关接收原理的锁定放大技术 、基于混沌理论的弱信号检测 J、基于取样积累平均理论的弱信号测量H 等。作为测量仪器电路使用，该设计要求对直流电压信号的测量精度高，测量速度快，电路可靠性好，以上几种方法虽各有优点但并不能完全满足该设计要求。文中采用平衡斩波、低噪声前置级放大、带通滤波等一系列微弱信号处理技术，实现了微弱直流信号的检测，取得了良好效果。
测量原理
一、二极管检波器原理
检波二极管检波具有平方律一非平方律特性，在数学上服从于二极管检波方程【2】：

式中：i为二极管电流；Is为饱和电流，在给定温度下为常数；V为跨在二极管上的净电压； =g／(nkT)；g为电子电荷；n为适应实验数据的修正常数； 为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。
将式(1)展开成幂级数形式：

从式(2)可以看出，由于信号的正负叠加和瞬间效应，正是该级数的二次及其他偶次项提供了整流作用。对于小信号的整流，只有二次项有意义，因此，二极管检波器在小信号检波时检波的直流电流与跨接在该二极管两端的输入电压的平方成正比，从而该二极管工作在平方律区域。当 高得使四次项不能忽略时，二极管按准平方律整流，称之为过渡区，再往上就到了线性检波区。此外，二极管检波特性还受工作环境温度和输入微波信号频率的影响。图1给出了典型的封装二极管检波器的平方律一非平方律检波特性曲线。

二、平衡斩波原理
对于低频和直流微弱信号的测量，1If噪声是最主要的噪声源。1／f噪声是产生于器件内部的一种低频率噪声，它是由器件本身半导体材料的物理性质决定的。输入信号频率越低，噪声的功率谱密度越大，过低的频率将造成待测信号完全淹没在噪声中，因此使用集成运算放大器等半导体器件的放大电路般无法直接实现对微弱直流信号的放大 J。文中采用小信号场效应管(MOSFET)自制平衡斩波器很好地解决了上述问题。平衡斩波技术的核心思想是利用开关器件导通和关断将检波输出直流信号转化成交流方波信号，经耦合后利用交流放大电路加以放大，从而回避了1／f噪声的问题。设计过程中需要注意以下3个问题：
(1)由于MOSFET源极和漏极之间存在电容C 在MOS—FET开关导通和关断过程中产生电容反馈，为减小该电容反馈，可以在MOSFET的输出端设置负载电阻，阻值的确定需要折中考虑，阻值过大对电容反馈的削弱效果不明显，阻值过小又会与MOSFET导通电阻R。 形成分压对信号造成衰减。
(2)在MOSFET开关导通和关断的瞬间会产生干扰信号，加在栅极的控制信号会容性耦合至沟道，将干扰信号加载到待测的有用信号中，直接表现为斩波生成的方波信号上升沿和下降沿处会出现噪声尖峰，通过一个小电容耦合一个反向栅极控制信号便可以消除噪声尖峰。
(3)斩波开关控制信号频率的确定主要出于以下考虑：首先过低的频率会使抑制1／f噪声的作用削弱，其次过高的频率会引入较强的栅极感应噪声。
三、、低噪声前置级放大原理
一个完整的多级放大系统的总噪声系数可用弗里斯公式描述：

式中：F。、 、 ⋯为各级放大器本身的噪声系数；KPA1、KPA2…为各级额定功率。
式(3)表明一个级联放大系统中，越是前级噪声系数对系统总噪声系数影响越大，当第一级放大器的额定功率增益足够大时，则总噪声系数基本上等于第一级噪声系数 ，前置级放大电路的性能直接影响着整个多级放大系统的性能。前置级放大电路设计主要遵循以下3个原则：
(1)器件选型要选择噪声电压E 和噪声电流，n尽量小的低噪声器件，同时要考虑到与信号源的噪声匹配。
(2)根据设计要求确定合适的耦合方式。
(3)电路形式(组态、偏置、反馈等)的选择不仅要使电路噪声足够小，同时要保证电路的其他性能指标。
测量电路
二极管式微波功率计利用双检波二极管将输入的微波信号转化为直流信号，经斩波后转化为方波信号，依据信号的大小经过量程开关选择进入低噪声高增益的前置级放大电路，放大后的信号通过带通滤波、后级放大等操作后利用A／D芯片进行采集，将采集到的数据通过USB总线送入Pc处理，全部过程在CPLD控制下完成。微波功率计信号检测电路如图2所示。

一、二极管检波电路
新型二极管平均功率计检波器采用平衡配置的双二极管检波方式，基于多种校准和补偿技术，使得单个二极管平均功率探头的动态范围达到了一70～+20 dB·m．二极管检波器组件的原理如图3所示。

输入的微波信号经过隔直电容C及3 dB衰减器进入50 n匹配负载和双二极管检波器，两个检波二极管输出的正负两路直流信号通过视频滤波电容C 送入平衡斩波电路处理。这种平衡配置双二极管全波检波可以有效地消除低功率测量时由不同金属连接导致的接触电压问题，提高了信噪比。
二、平衡斩波电路
以小信号MOSFET作为斩波器件，由CPLD控制产生2路频率为440 Hz的斩波控制信号CHOPP和CHOPN，2路控制信号相差半个周期，使2片MOSFET轮流导通，将正负2路直流转化为l路方波信号。设计中，2片MOSFET尽可能靠近，使其工作环境温度接近一致，相互抵消温度漂移。图4为平衡斩波电路原理图。

三、低噪声放大电路
平衡斩波输出的方波信号具有较大的动态范围，因此在信号进入低噪声前置放大电路之前需要合适的量程切换。前置级放大电路由共射极高B双极晶体管和低噪声精密运算放大器组成，与信号源之间(待测信号)的耦合方式选择直接耦合，晶体管和运算放大器共同构成负反馈放大电路。
前置级放大电路的晶体管需要工作在一定的工作点上，这由晶体管本身特性和外加偏置电压决定，为了避免偏置电压造成放大电路的噪声性能下降，文中使用2组电源供电，同时设计了相应的电源滤波电路。为了防止电路发生自激振荡，对其进行相位补偿。经过放大的信号经带通滤波和后级放大后即可进行ADC采集。图5为前置级放大电路原理框图。

总结
在实际应用中，人们要检测的信号种类繁多，只有掌握了检测技术的基本理论和基本方法才能创新和发展了。根据不同的信号、不同的要求、不同的条件，采用它们的不同组合设计出所需要的微弱信号检测设备。微弱信号检测技术的日益成熟，必将给这一领域带来革命性的发展。
参考文献
【1】高晋占.微弱信号检测（M）.北京：清华大学出版社，2004. 
【2】曾庆勇.微弱信号检测（第二版）.浙江大学出版社.