邱 賀，段永紅

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，河南鄭州 450002)

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用于感應(yīng)式磁傳感器低噪聲前置放大器的研制

邱 賀，段永紅

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，河南鄭州 450002)

頻率域電磁法；感應(yīng)式磁傳感器；斬波前置放大器；寬頻帶；低噪聲；響應(yīng)頻帶

0 引言

磁感應(yīng)傳感器采用法拉第電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，能夠感應(yīng)所探測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)的微弱變化，根據(jù)趨膚效應(yīng)，其性能指標(biāo)直接決定了FEM所能探測(cè)的最大深度[1-4]。磁感應(yīng)傳感器是FEM的核心設(shè)備，包括感應(yīng)線(xiàn)圈和前置放大電路等。為了得到一個(gè)高性能的磁感應(yīng)傳感器，除了需要高性能感應(yīng)線(xiàn)圈以外，也對(duì)前置放大電路的寬頻帶和低噪聲提出了更高的要求，以滿(mǎn)足探測(cè)深度和地磁場(chǎng)信號(hào)的實(shí)際需要。

1 低噪聲前置放大器設(shè)計(jì)

1．1 感應(yīng)線(xiàn)圈模型分析

感應(yīng)式磁傳感器能夠感應(yīng)到磁場(chǎng)信號(hào)的變化，然后輸出信號(hào)經(jīng)前置放大電路進(jìn)行放大預(yù)處理。因此，為設(shè)計(jì)出合理的前置放大電路，必須對(duì)線(xiàn)圈模型進(jìn)行分析。感應(yīng)線(xiàn)圈的等效模型如圖1所示，包括電感、分布電容和電阻。

圖1 感應(yīng)線(xiàn)圈等效模型

其中，LS、C、RS分別為感應(yīng)線(xiàn)圈等效模型的等效電感、分布電容以及等效電阻。e表示感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，Vi為感應(yīng)線(xiàn)圈輸出電壓。由電磁感應(yīng)定律可得：

(1)

式中：N為感應(yīng)線(xiàn)圈匝數(shù)；S為線(xiàn)圈橫截面積；μc為磁芯磁導(dǎo)率。

假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為頻率ω的正弦波，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻域表達(dá)式

e=jωNSμcB

(2)

由式(2)及感應(yīng)線(xiàn)圈等效模型可得

(3)

1．2 低噪聲斬波放大器設(shè)計(jì)

1/f噪聲是半導(dǎo)體器件的固有特性，隨著頻率降低而提高。低頻時(shí)，1/f噪聲是主要噪聲成分，通過(guò)電路的增益放大后，會(huì)引起顯著的輸出電壓失調(diào)。

圖2 低噪聲斬波前前置放大電路

由圖2可以看出，前置放大電路包括2個(gè)放大回路(高頻放大回路、低頻放大回路)，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)MAX333控制高低頻放大回路的切換，假設(shè)輸入信號(hào)為高頻信號(hào)，則CTRL控制信號(hào)控制前級(jí)MAX333將多路開(kāi)關(guān)切換至高頻放大電路進(jìn)行放大，然后輸出經(jīng)后級(jí)MAX333多路開(kāi)關(guān)輸出，反之亦然?？刂菩盘?hào)CTRL由上位機(jī)給出。

前置放大電路輸入噪聲主要由感應(yīng)線(xiàn)圈直流電阻和MAX333導(dǎo)通電阻引起的熱噪聲以及前置放大器輸入噪聲決定，輸入信號(hào)首先通過(guò)多路開(kāi)關(guān)MAX333控制送入高頻/低頻放大電路。由于MAX333的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻僅為200Ω，有效減少了電路的輸入噪聲。同時(shí)，前置放大電路采用OPA827運(yùn)算放大器進(jìn)一步減少了總體電路噪聲水平。

2 低噪聲前置放大器性能測(cè)試

由于環(huán)境中存在很強(qiáng)的工頻或者其他干擾，而前置放大器對(duì)輸入噪聲要求較高，為了準(zhǔn)確測(cè)量放大器的輸入噪聲，要求測(cè)試環(huán)境中的干擾信號(hào)比較微弱，因此測(cè)試在電磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。

2．1 低噪聲前置放大器增益測(cè)試

在前置放大電路預(yù)設(shè)頻帶范圍內(nèi)選取適當(dāng)數(shù)量的頻率點(diǎn)對(duì)放大電路的幅頻特性進(jìn)行測(cè)量。信號(hào)源輸出信號(hào)Vin為1 mV，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量放大器輸出信號(hào)Vout，前置放大電路增益A=Vout/Vin，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 低噪聲前置放大電路增益測(cè)試

由圖3可以看出，斬波開(kāi)關(guān)對(duì)信號(hào)放大倍數(shù)基本沒(méi)有影響，高低頻放大電路幅頻特性具有良好的銜接性，在f<1 kHz頻段內(nèi)，電路的增益約為4 700左右，由于低通濾波器的影響，f>2 kHz頻段內(nèi)，幅頻特性曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì)。

2．2 低噪聲前置放大器噪聲測(cè)試

前置放大器噪聲測(cè)試方法為：將前置放大器雙端輸入短接并接地，打開(kāi)斬波信號(hào)，放置于磁屏蔽筒內(nèi)。測(cè)量前置放大電路終端輸出噪聲，除以其信號(hào)幅度增益，最終得到其等效輸入噪聲。斬波開(kāi)關(guān)關(guān)閉，相同條件下測(cè)量前置放大電路等效輸入噪聲，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 前置放大電路等效輸入噪聲

同時(shí)，文中設(shè)計(jì)的前置放大器與商品級(jí)放大器ADA4528的噪聲水平進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

2．3 感應(yīng)磁傳感器標(biāo)定測(cè)試

該前置放大電路接入傳感器，在磁屏蔽筒內(nèi)

圖5 優(yōu)化前后放大器噪聲對(duì)比

對(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，傳感器靈敏度標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。

(a)傳感器標(biāo)定幅頻圖

(b)傳感器標(biāo)定相頻圖圖6 感應(yīng)磁傳感器靈敏度標(biāo)定

在圖6(a)標(biāo)定曲線(xiàn)中，自制傳感器靈敏度約為0.2 V/(nT．Hz)@1 Hz，1 V/nT@1 kHz；德國(guó)MFS-06傳感器靈敏度0.2 V/(nT．Hz)@1 Hz，0.9 V/nT@1 kHz．而且，在5 kHz以下，自制傳感器靈敏度要優(yōu)于MFS-06傳感器靈敏度，5 kHz以后由于傳感器的磁芯損耗比較大，靈敏度低于德國(guó)MFS-06傳感器。從圖6(b)中可以看出，自制傳感器的相頻特性曲線(xiàn)較為平坦，沒(méi)有明顯的相位突變，符合實(shí)際使用要求，性能與德國(guó)MFS-06傳感器的水平相當(dāng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在研究感應(yīng)線(xiàn)圈等效模型和傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)前置放大器的頻帶和噪聲指標(biāo)要求，結(jié)合斬波放大原理，設(shè)計(jì)了斬波前置放大器，擴(kuò)展了放大器頻帶范圍，有效地減少了低頻噪聲。同時(shí)，在探測(cè)靈敏度、幅頻、相頻等特性方面，文中所研制的感應(yīng)式磁傳感器與德國(guó)MFS-06傳感器進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，性能指標(biāo)相當(dāng)，滿(mǎn)足項(xiàng)目指標(biāo)要求，為感應(yīng)式磁傳感器在野外實(shí)踐應(yīng)用提供了可靠保障。

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Low Noise Pre-amplifier Developed for Magnetic Inductive Sensors

QIU He，DUAN Yong-hong

(Geophysical Exploration Center，China Earthquake Administration，Zhengzhou 450002，China)

Inductive magnetic sensor is one of the most widely utilized magnetic sensors in frequency domain electromagnetic method (FEM).Generally,inductive magnetic sensor consists of inductive coil and preamplifier which is the critical factor to affect the performance of inductive magnetic sensor.In order to make inductive magnetic sensor detect weak magnetic signals and improve the detection depth,the preamplifier with broadband and low noise is required.The chopper preamplifier was designed and developed which was based on the principle of magnetic flux negative feedback.As a result,the output noise of the induction coil is inhibited effectively and the both sides of the resonant frequency of induction coil have a flat amplitude-frequency curve which can broaden the inductive sensor response band.The performance of chopper preamplifier was tested in shielded room.The frequency range is from 0.001 Hz to 10 kHz,and the input noise is 3.75nV/√Hz,which guarantees performance for inductive magnetic sensor in real application.

frequency domain electromagnetic method (FEM); inductive magnetic sensor; chopper preamplifier; broadband; low noise; response band

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41174052)

2013-12-06 收修改稿日期：2014-11-06

O657．3

A

1002-1841(2015)01-0022-02