Page 223 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 马卫卫等： 超声探伤自动扫描平台微弱信号放大电路设计 483

其中，放大器输入噪声功率为 P ni ，输入信号功率为 为了使放大器达到最大 SNR，需了解放大器的
P si ，输出噪声总功率为 P no ，输出信号总功率为 P so ； 固有噪声源和外部电阻器产生的噪声之间的相互
SNR i 是放大器输入端的功率信噪比，SNR o 是输出 作用，首先建立图 5 中同相放大电路的等效噪声电
端的功率信噪比。噪声系数越大，说明放大器导致 路模型 [11] ，如图6所示。
的SNR恶化程度越严重。
单级放大电路放大倍数有限，一般采用多级放 Z s
e n
大电路。级联放大器的总噪声系数如式(5)所示：
R s jX s
F 2 − 1 F 3 − 1 kTR s i n⇁
F = F 1 + + + · · ·
G 1 G 1 G 2
F n − 1
+ , (5)
R f
G 1 G 2 G 3 · · · G n−1 kTR f
其中，F n 、G n 分别为第 n 级的噪声系数、功率增益。 R g
i n ֓
式 (5) 说明了一个重要的事实：级联放大器中各级 kTR g
的噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越是前
级影响越大，第一级影响最大。前级的增益一定，且
图 6 同相放大电路噪声模型
噪声系数F 1 足够小时，多级串联放大器的噪声系数
Fig. 6 Non-inverting amplifier noise model
F 才会较小 [14] 。本文微弱信号放大电路设计包括
的三级放大电路如图 4 所示，将信号放大到能够进 输入总噪声电压e ni 如式(6)所示：
行采集电路，实现数据数字化上传。微弱信号放大
[ 2 2
电路时，必须确保第一级的噪声系数足够小，因此 e ni = e + (i n+ |Z s |) + 4kT(R s ||R T )
n
第一级放大电路的器件选择和电路设计是至关重 + (i n− (R f ||R g )) + 4kT(R f ||R g ) ] 1/2 , (6)
2
要的。
其中，e n 为放大器的电压噪声密度，i n 为放大器的
ҒᎶஊܸႃ᡹
电流噪声密度且 i n = i n+ = i n− ，k 为玻尔茨曼常
ଌஆ ኄʷጟ ኄ̄ጟ ኄʼጟ 数，k = 1.38 × 10 −23 J/K，T 为电阻的绝对温度。
ଊ݀ ஊܸႃ᡹ ஊܸႃ᡹ ஊܸႃ᡹
第一级放大电路的噪声系数为如式(7)所示：

图 4 前置放大器框图 E 2 ni
F = 2 =
Fig. 4 Preamplifier block diagram E t
2
2
2
2
e + i (|Z s | + (R f ||R g ) ) + 4kT(R s +(R f ||R g ))
n
n
3.1 第一级放大电路噪声模型 .
4kT(R s + (R f ||R g ))
由于同相电路输入阻抗高，所以第一级电路设 (7)
计如图5所示。
从第一级放大电路的噪声系数表达式可以得
⇁V CC
出以下三个结论：
(1) Z s = R s + jX s ，X s 为接收换能器的等效输
Z s
出电抗，X s 的存在使得 i n 流经源阻抗造成的电压
V out
V s
噪声增加，实际可以在接收换能器和第一级放大器
之间增加匹配电路，相当于连接一个电抗 −jX s ，可
以抵消X s 的不良影响。
֓V CC
(2) 在放大器选型时需要放大器电压噪声密度
R f
R f
A v /⇁֓
R g e n 和电流噪声密度i n 尽可能小，同时当R s ≈ e n /i n
R g
时，F 最小，达到噪声匹配。
图 5 同相放大电路设计 (3) 设计反馈电路时，使R f ||R g 尽可能小，F 数
Fig. 5 Non-inverting amplifier configuration 值也会减小。