Page 224 - 《应用声学》2025年第2期

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3.2 第一级放大电路器件选型 其中，e ni 为输入噪声电压，Av 为增益系数，B e 为等
由噪声系数表达式得到的第二个结论可知，要 效噪声带宽。可以看出计算结果 221 µV rms 与仿真
√
达到噪声匹配，需要信号源内阻 R s ≈ e n /i n ，由于 结果 63.12629 nV 2 rms = 251 µV rms 相近。
无论给信号源串联还是并联电阻，其结果只会使放
V CC
大器的噪声性能更加恶化 [16] ，所以在放大器选择 5.0 V
时，尽量使放大器电压噪声系数与电流噪声系数的 V CC
比值与信号源内阻接近。前面已经对超声换能器进 5 U 1
1 3 LMH6629MF
行等效电路分析，当使用空气超声耦合换能器在串
4 1
联谐振频率工作时，阻抗最小，效率最高，此时阻抗
为220 Ω。表2 为几种元器件选型参数，根据电路噪 V 1 2 V EE
4
声模型分析，超低噪声放大芯片 LMH6629 的电压 100 mV rms V EE
1 MHz -5.0 V
噪声密度与电流噪声密度非常小，且两者比值与换 0° R 
能器串联谐振时阻值最为相近，可以使噪声系数 F 3 90 W
最小，故第一级选择LMH6629芯片。 R 
10 W
0
表 2 低噪声运放噪声指标比较
Table 2 Low noise operational amplifiers
comparative
图 7 超低噪声放大器设计示意图
芯片型号 e n/(nV·Hz −1/2 ) i n/(pA·Hz −1/2 ) (e n/i n)/Ω Fig. 7 Schematic of the ultra-low noise amplifier
LMH6624 0.92 2.3 400
CLC425 1.05 1.6 656.25
OPA847 0.85 2.5 340
AD797 0.9 2.0 450
MAX4106 0.75 2.5 300
LMH6629 0.69 2.6 265.38
OPA687 0.95 2.5 380
EL2125C 0.83 2.4 345.83
CLC1001 0.6 4.2 142.86

设计第一级电路增益 20 dB，从噪声系数表达
图 8 噪声分析仿真
式得到的第三个结论可知，设计反馈电路时，使
Fig. 8 Simulation of noise analysis
R f ||R g 尽可能小，在不限制带宽的情况下设计电路
参数如图 7 所示，并进行噪声仿真分析如图 8 所示， 表 3 超低噪声放大电路噪声参数
Table 3 Noise parameters of ultra-low
仿真的输出总噪声为 63.12629 nV 2 rms 。将表 3 中电
路的各项电路参数代入式(8)，求得输入噪声电压为 noise amplifying circuit
[ 2 2 2 2 参数 值 单位
e ni = e + i (R + (R f ||R g ) )
n n s √
] 1/2 e n 0.69 nV/ Hz
+ 4kT(R s + (R f ||R g )) √
i n 2.6 pA/ Hz
√
= 0.79 nV/ Hz. (8) 0 Ω
R s
进而代入式(9)求得输出总噪声为 R f 90 Ω
10 Ω
√ R g
V no = e ni · Av · B e
k 1.38 × 10 −23 J/K
√ √
= 0.79 nV/ Hz · 10 · 1.57 × 500 MHz T 298.15 K
= 221 µV rms , (9) B 0 500 MHz