樊尚春，陶澤輝，邢維巍

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)

隨著微電子技術(shù)尤其是MEMS微傳感器技術(shù)在智能儀表等電子設(shè)備中的應(yīng)用，傳感器的輸出信號(hào)越來越微弱，并伴隨著大量的內(nèi)外部電磁干擾。提高檢測(cè)信號(hào)的精度的一個(gè)重要措施就是采用抗強(qiáng)干擾的低噪聲前置放大器。為使放大器的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值，最好的方法就是改變呈現(xiàn)在放大器輸入端傳感器的阻抗大小[1]。常見的噪聲匹配方法除變壓器法外，還有電阻法、有源器件級(jí)聯(lián)法以及負(fù)反饋電路法等，但是以上方法在實(shí)際應(yīng)用中有著明顯的缺點(diǎn)[2]，而采用變壓器則可以簡(jiǎn)單有效地達(dá)到這樣的效果[3]。

通常由鐵氧體等材料制作的變壓器的線圈和鐵芯會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，并會(huì)帶來大量干擾[4－5]，使得整體噪聲系數(shù)情況變壞，且體積較大，效率較低。隨著軟磁材料的發(fā)展尤其是非晶超微晶等軟磁材料的發(fā)展[6－9]，上述問題就可以得到較好地解決[10－11]。

本文通過對(duì)不同類型軟磁材料特性的進(jìn)行分析測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種基于VAC500F超微晶合金的噪聲匹配變壓器，其較高的性能使傳感器前置放大器的噪聲性能達(dá)到一個(gè)較高的水平。

1 放大器最佳噪聲匹配分析

任何一個(gè)放大器內(nèi)部都會(huì)有噪聲源，而前置放大器的噪聲主要由有源器件引起。放大器噪聲特性通常采用噪聲系數(shù)來衡量，大小等于輸出信號(hào)信噪比與輸入信號(hào)信噪比之比，噪聲系數(shù)和呈現(xiàn)在前置放大器輸入端的傳感器阻抗緊密相關(guān)。

圖1 放大器噪聲模型

傳感器及前置放大器的噪聲模型可簡(jiǎn)化如圖1所示電路，其中Es為傳感器的輸出信號(hào)，Rs為傳感器的輸出阻抗，4kTRsΔf為傳感器輸出阻抗的噪聲，En為放大器等效噪聲電壓源，In為放大器等效噪聲電流源。

放大器噪聲系數(shù)可以表示為:

通過調(diào)整變壓比n使Rso=n2Rs，則可使放大器的達(dá)到最佳噪聲匹配，且不會(huì)增加源阻抗大小。此時(shí)放大器達(dá)到最小噪聲系數(shù)，為

圖2所示為一放大器噪聲系數(shù)等值曲線圖。在1 k～100 kHz頻帶范圍內(nèi)，傳感器的阻抗若從100 Ω匹配為100 kΩ，則放大器輸出信號(hào)的信噪比將有超過20 dB的改善，這對(duì)于檢測(cè)輸出信號(hào)微弱的傳感器是極大的提高。

圖2 放大器噪聲系數(shù)等值曲線圖

雖然變壓器的線圈和鐵芯會(huì)有損耗電阻，使得信噪比和整體噪聲系數(shù)情況變壞，體積較大等不利因素。但隨著軟磁材料尤其是超微晶合金材料的發(fā)展和進(jìn)步，其超高磁導(dǎo)率和極低的矯頑力、矩形比和鐵損使得變壓器性能已經(jīng)有大幅度的提高，此外超微晶合金的磁滯伸縮效應(yīng)更低，其輸出信號(hào)受影響更小，在信號(hào)頻率較高時(shí)可及為有效地改善電路系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。

2 匹配變壓器特性分析

2．1 匹配變壓器材料特性分析與測(cè)試

磁芯材料是決定匹配變壓器特性的最主要因素，下面將通過對(duì)不同材料的磁導(dǎo)率、矯頑力、鐵損、矩形比、工作磁感應(yīng)強(qiáng)度等方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和測(cè)試。

圖3所示為普通鐵氧體材料和500F超微晶材料的磁滯回線對(duì)比圖?？梢钥闯?00F在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力、磁導(dǎo)率等指標(biāo)上遠(yuǎn)優(yōu)于普通鐵氧體，其參數(shù)對(duì)比如表1所示。經(jīng)計(jì)算和測(cè)試可知:同形狀磁芯制作的變壓器在0．2 T，20 kHz的相同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，500F的磁感應(yīng)強(qiáng)度為PC40鐵氧體材料的5．6倍，其磁滯損耗為7%，渦流損耗為5．8%。

圖3 磁滯回線對(duì)比圖

表1 軟磁材料參數(shù)

軟磁材料根據(jù)矩形比的不同分為普通(R型)、矩形(Z型)、扁平型(F型)三類，所制作的變壓器輸出信號(hào)諧波也因材料矩形比而不同。表2給出了三種不同矩形比軟磁材料在10 kHz、3 mA/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下2、3次諧波通過頻譜分析儀2390A的測(cè)試結(jié)果，其中6025Z為鈷基非晶合金?？梢钥闯鲕洿挪牧暇匦伪仍降停鋭?lì)磁曲線線性度越高，輸出信號(hào)的諧波失真越小。

表2 軟磁材料諧波對(duì)比

通常軟磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度，頻率以及溫度等參數(shù)變化，導(dǎo)致勵(lì)磁電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不呈為線形關(guān)系，而產(chǎn)生諧波。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，矩形比越低的軟磁材料，即F型磁滯回線的相對(duì)磁導(dǎo)率變化就越小，其諧波也越低。此外磁致伸縮效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鐵氧體等普通軟磁材料輸出信號(hào)產(chǎn)生諧波，而超微晶材料幾乎不存在磁致伸縮效應(yīng)。

通過對(duì)比和測(cè)試可知:高磁導(dǎo)率、低矯頑力和低矩形比的500F軟磁材料制作的匹配變壓器在損耗、信號(hào)失真以及體積重量上有著普通軟磁材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在改善電路系統(tǒng)的噪聲系數(shù)有著更明顯的效果。

2．2 匹配變壓器特性分析和設(shè)計(jì)

由于阻抗匹配變壓器的匹配效果并非是理想的，因而在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)對(duì)其特性分高低頻分別進(jìn)行討論[12]。

變壓器低頻等效電路如圖4所示。若變壓比為1∶n，傳輸效率為η，則線圈匝數(shù)比應(yīng)當(dāng)為，其中Rs為源阻抗，r1為初次級(jí)線圈銅阻，Lm為初級(jí)線圈電感量，rc為鐵損等效電阻為負(fù)載R'映射到初級(jí)的阻抗為次級(jí)線圈銅阻映射到初級(jí)的阻抗?？紤]到負(fù)載R非常大，將線圈銅阻計(jì)入源阻抗及負(fù)載，其傳遞函數(shù)為:

圖4 變壓器低頻等效電路

變壓器高頻端等效電路如圖5所示，其中Ls1為初級(jí)漏感為次級(jí)線圈電容等效到初級(jí)的電容。同樣考慮到R非常大，其傳遞函數(shù)可寫為:

圖5 變壓器高頻等效電路

主要影響量包括了 Ls1和C2，應(yīng)當(dāng)分別討論。當(dāng)Ls1影響較大時(shí)，其高頻－3 dB截止頻率為fH=R/2πLs1;當(dāng)C2影響較大時(shí)，其高頻－3 dB截止頻率為 fH=1/2πRC2。

由上述分析可知，較好的低頻響應(yīng)就需要變壓器有更多的線圈匝數(shù)和更小的銅阻和鐵損，但過多的線圈匝數(shù)會(huì)導(dǎo)致漏感和分布電容等寄生參數(shù)的增加，使高頻頻響變差。而有著高磁導(dǎo)率、高電阻率和低矯頑力特性的500 F可以在更少的線圈匝數(shù)情況下達(dá)到同樣的電感量，并能顯著減小銅阻、分布電容以及鐵損，可較好地解決上述的問題。

3 噪聲匹配變壓器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

噪聲匹配變壓器實(shí)驗(yàn)方法如圖6所示，通過對(duì)無變壓器、PC40及500F制作的變壓器輸出信號(hào)的信噪比的對(duì)比來進(jìn)行驗(yàn)證，采用安捷倫34401A數(shù)字萬用表測(cè)量輸出信號(hào)來計(jì)算信噪比。

圖6 實(shí)驗(yàn)方法框圖

某諧振式傳感器采用PGA103作為前置放大器，源阻抗Rs為40 Ω，輸出信號(hào)頻率為22～24 kHz，查芯片手冊(cè)可知在該工作頻率100倍放大倍數(shù)下等效輸入噪聲譜密度為，則最佳源阻抗為Rso=36．8 kΩ，匹配變壓器的變壓比為。

在制作匹配變壓器時(shí)，首先應(yīng)對(duì)初級(jí)電感量需求進(jìn)行分析，在20 kHz截止頻率條件下，匹配變壓器初級(jí)電感量應(yīng)為318 μH?？紤]到損耗，線圈匝數(shù)有適當(dāng)增加。此外匹配變壓器工作中還應(yīng)當(dāng)有比較完善的屏蔽措施。

圖7 噪聲匹配變壓器對(duì)比

表3 變壓器參數(shù)對(duì)比

當(dāng)輸入信號(hào)為100 μV時(shí)初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生大約2 μA的勵(lì)磁電流，500F與PC40的工作磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為 2．235 μA/cm 和 2．286 μA/cm。經(jīng)計(jì)算可得出渦流損耗分別為3．31 pW和0．77 pW;磁滯損耗分別為19．2 pW和119 pW，在損耗方面500F有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)傳感器輸出的電壓幅度為50 μV時(shí)，無變壓器時(shí)輸出信號(hào)信噪比為41．5 dB，采用PC40制作的變壓器為55．4 dB，而采用500F制作的變壓器為60．1 dB，有著更為明顯的提高。此外500F材料的體積和質(zhì)量也有著更大的優(yōu)勢(shì)。

由于500F極低的矩形比使得其勵(lì)磁曲線線性度更高，輸出信號(hào)的諧波比 PC40低了約20 dB，總諧波失真更小。此外由于500F與PC40的初級(jí)漏感分別為 0．97 μH 和 7．17 μH，次級(jí)分布電容分別4．13 pF和51．8 pF，500F的帶寬可達(dá)到 PC40的7倍以上。

4 結(jié)論

本文提出了采用F型磁滯回線的500F超微晶合金制作噪聲匹配變壓器的方法，其高磁導(dǎo)率和極低的矯頑力、矩形比及鐵損，體積小、重量輕等特性可更加適合用于制作噪聲匹配變壓器變壓器。試驗(yàn)結(jié)果表明，500F低于0．1%的總諧波失真，18．6 dB的信噪改善比以及較高帶寬和低損耗的性能比普通軟磁材料有著明顯的提高，在改善傳感器信號(hào)檢測(cè)方面有著更為實(shí)用的價(jià)值。

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