射频辐射抗扰环境中微弱信号放大电路的设计与验证

李澍，赵东杰，苏宗文

1.中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050；

2.北京物资学院 北京高校物流技术工程研究中心，北京 101149

射频辐射抗扰环境中微弱信号放大电路的设计与验证

李澍1，赵东杰2，苏宗文1

1.中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050；

2.北京物资学院 北京高校物流技术工程研究中心，北京 101149

本文阐述了射频辐射抗扰环境中微弱信号放大电路的设计过程、实现方法以及验证过程，并总结了优化电路性能的关键点。测试结果表明，该电路具有较好的抗扰度，可辅助医疗器械实现远程测量。

辐射抗扰；信号放大电路；噪声水平；电压漂移；线性范围

目前医疗器械电磁兼容检测过程中，绝大部分用于测试器械性能和安全的辅助设备（如监控传感器、温度传感器）的设计过程中并没有考虑电磁兼容性。同时，试验发现，即使采用金属屏蔽、接地等措施将辅助设备隔离，但由于屏蔽的不完整性以及辐射设备本身的连接导线，仍会有相当程度的干扰施加到辅助设备上。如果辅助设备的抗扰度很差，那么将无从判断受试设备在施加干扰时的性能[1]。

通过提升辅助设备的抗扰度的措施是理想但不切实际的，因为医疗器械的检测设备众多，且都较为精密，有些设备从原理上就决定了其无法耐受较强的电磁辐射。一个合适的替代解决方式是尽可能地将辅助设备的主体部分放置至电磁暗室外部，在暗室内部仅保留辅助设备的探测器（传感器）部分；并通过合适的手段将探测器输出的微弱电信号经长距离传输至暗室外。由于电磁暗室是一个绝对受控的电磁环境，与外界通信一般都采取光纤或者波导管的形式（图1）[2]。

由图1可知，实现传感器远距离测量的核心是设计合理的信号放大电路。本文主要研究射频辐射抗扰条件下的微弱信号放大电路，同时总结电路板低噪声设计的要点。

1 设计过程

1.1 设计原理及设计框架

对于微弱信号检测，通常要用多级放大器级联才能完成信号转换与放大任务[3-4]。前置放大是离子电流放大的第一级，也是引入噪声的主要环节之一。根据弗里斯公式[4]，级联放大电路的总噪声系数F可表示为：

各级放大器的噪声系数分别为：F1，F2，…，FM；功率增益分别为K1，K2，…，KM。如果第一级增益K1足够大，则系统的总噪声系数主要取决于第一级噪声系数F1。在设计用于微弱信号检测的低噪声放大电路时，必须保证第一级的噪声系数足够小，因此器件选择和反馈电路设计至关重要[5]。同时，由于放大电路的固有噪声以及外界干扰往往比需要测量的有用信号幅值高1～2个数量级[6]，只靠单纯的信号放大是不能把微弱信号检测出来的，只有在有效的输入屏蔽条件下同时增大微弱信号的放大倍数，才能提取出有用信号[7]。

根据以上思路，本设计采取二级放大加滤波的模式。第一级采取前置放大电路，使用输入偏置电流极低的高增益运放进行I/V变换，同时在输入端使用电流井进行输入信号的屏蔽保护；第二级使用一个低噪电压运放进行微弱信号的放大，并配合使用二阶低通滤波电路滤除系统噪声。整体电路通过内屏蔽层和外屏蔽层实现对外部干扰的有效屏蔽。总体设计方案框图，见图2。

1.2 实现方法

按照总体框架，设计的微弱信号放大电路图，见图3。

1.2.1 前置放大电路（I/V转换）

对于微弱信号放大电路来说，前置放大器实质上是一个“电流/电压”（I/V）转换器，可将微弱的电流信号转换为电压信号，在运放反相端和输出端跨接一个反馈电阻，使离子电流流过跨阻输出电压，反馈电阻值越大信噪比越高。但是反馈电阻过大将引入很强的噪声（如工频噪声、射频噪声），极大地影响电路的精度和稳定性；其次，反馈电阻大，要求运放的输入阻抗更大，否则就会产生分流，从而增大了输偏置电流，造成输出电压下降。

本设计（图3中I/V转换部分）采用T型电阻网络方法，通过将3个小电阻（R1、R2、R3）等效为一个较大的等效电阻，有效地降低噪声；为了进一步减小从输入端耦合的干扰噪声，在T型电阻网络两端并联一电容C1，形成一RC低通滤波。RC滤波可限制运放的闭环带宽，降低高频噪声，并且可利用电容C1进行相位补偿，抑制噪声增益曲线的峰值。核心放大器的选择要求是：输入偏置电流、输入失调电流及输入失调电压小；噪声小；共模抑制比大；输入阻抗大；温度漂移小。高精度运算放大器OPA129UB可以满足此要求。

前置放大电路的输出电压为：

由于R1»R3，电路的增益主要由R1和R3/R2来确定。通过调节R3/R2的比值可以得到需要的放大倍数，保证系统反馈电阻的等效阻值较大，避免直接使用大电阻带来的负面影响。

反馈电阻的阻值选择是增益和带宽妥协的结果。反馈电阻越大，信号带宽越窄，信号畸变的可能性就越大；同时反馈电阻也影响着C1的取值，反馈电阻越大，电容值越小，其就越敏感，电容值的微小变化对系统输出影响较大，可增加系统的不确定性，造成电路的重复性较差。在反馈电阻类型的选择上，为了降低1/f噪声和提高电路精度，选用高精度、低噪声的金属膜电阻。电容选择低噪声的云母电容。综合以上因素，电路参数设定为：R1=100 MΩ，R2=10 kΩ，R3=2 kΩ，C1= 0.5 pF。

1.2.2 二级放大电路

前置放大通常由于运放带宽的限制，放大倍数不够，并且前置运放的带载能力低，所以需要对信号进行二级放大（图3中电压放大部分）。

前置电路的电流电压转换关系为：

当输入电流为1 pA时，输出电压仅为600 μV。微伏级的信号信噪比一般很低，输入级选择不当会使噪声将信号完全湮没，因此要求放大器具有高的共模抑制比、极低的输入噪声。

二级放大电路选用低噪高速运放LT1028，主要性能参数如下：输入失调电压最大为40 μV；电压噪声在1 kHz处最大为1.1 nV/；转换速率为11 V/μs；增益带宽乘积为50 MHz。

参照公式(3)，二级放大电路输出电压为：

因此信号调理电路总增益为7.2×1010V/A。

1.2.3 Sallen-Key二阶低通滤波电路

由于传感器转化信号非常微弱，射频干扰源一旦耦合到检测电路，将对检测信号产生严重影响。同时，射频电磁场抗扰度试验中，幅度调制频率为1 kHz或者2 kHz，且传感器输出频率基本＜50 Hz，主要噪声频率均＞50 Hz，因此首先考虑使用低通滤波的方法来克服噪声的不利影响，提高信号的信噪比。目前，最常用的是RC有源模拟滤波器，由运放、电阻和电容构成，结构简单、成本低。使用Sallen-Key结构的二阶低通滤波电路可有效降低噪声水平，同时可有效抑制噪声干扰。

使用Ti公司的FilterPro3.0完成结构与参数设计。巴特沃兹二阶滤波器通过Sallen-Key结构实现，滤波器的截止频率为：f=，可见，当R7=R8=R，滤波器的截止频率主要取决于C3、C4的值，因此根据FilterPro的设计结果，将C4取0.1 uF，C3在0.2 uF附近取值，能够最大程度地降低噪声，提高信噪比。

1.2.4 电路性能优化考虑

原理图设计完成后，印制电路板（PCB）布局也是提高微弱信号放大电路性能的关键因素。为了提高测量微弱电流的精度和准确度，本设计需要注意：① 采用绝缘强度高、漏电流小的印刷电路板-环氧玻璃板；② I/V转换部分的工作电流最后要经地线流回电源，避免其他单元较大的电流在I/V转换部分的接地点之间产生较大电位差；③ I/V转换部分的运算放大器及其外接阻容件应就近安放，各接地点应尽量靠近；④ 运算放大器及其周围应大面积敷铜，并与电源单点接地；运算放大器的反相和同相入端应用接地屏蔽环将其包围起来，使二者等电位，保证他们之间不产生漏电流。

同时，微弱电流输入信号线应采用高绝缘、低噪声的屏蔽电缆线；屏蔽电缆的屏蔽层要单端接地，输入信号电缆应尽量远离电源线并且要尽量短；输入信号电缆应尽量避免振动、扭曲等机械变形，防止因压电效应和摩擦生电效应而产生干扰。电路板焊好后，用无水乙醇进行超声清洗以处理残留杂质及金属屑，然后再做干燥防潮处理。然后进行全部密封处理，尤其是反馈电阻更应密封、防潮、防光照、防电磁干扰，为此将整个微弱电流放大器用铝合金盒屏蔽起来，通过SMA插头连接输入与输出信号。通过上述的降噪处理，可以降低系统噪声。

2 测试验证

2.1 噪声水平

测试不同工作条件下的信号调理电路输出噪声水平。图4分别为关闭射频电场和射频电场分别为3 V/m、10 V/m时，系统输出信号的白噪声水平。由图可见，随着射频电压的升高，系统噪声有一定升高。这说明射频电场是系统的主要噪声来源，其既可能通过传感器电路内部耦合进检测电极，又可能通过空间电磁辐射对检测电路产生干扰[8]。

利用有效值（Root Mean Square，RMS）评估噪声水平[9]。计算出3个图谱的噪声RMS分别为：0.74 mV、0.81 mV、1.8 mV。通常使用6.6倍有效值定义噪声峰值，因为其出现的时间概率＜0.1%，则3个图谱的噪声峰值别为：4.8 mV、5.3 mV、11.8 mV。由此可知，尽管噪声水平随射频场幅度的增加而增大，传感器信号的噪声峰值仍被控制在12 mV以内。

2.2 电压漂移和线性范围

测试信号放大电路长时间下（24 h）的电压漂移，输出电压漂移仅为+0.5 mV，稳定度较高。微电流放大器输出的线性范围，见表1。可以看出，线性范围能够达到3个数量级（R2=99.4%），能满足高精确度测量的要求。

3 结论

在电磁兼容抗扰度试验中，会有大量干扰施加到辅助设备上，如果辅助设备的抗扰度差，就会导致测量结果不准确，那么将无从判断受试设备在施加干扰时的性能。通过使用信号放大电路，从而实现信号的远程测量，是解决上述问题的一个有效手段。

笔者设计的微弱信号放大电路的测试精度可控制在±0.1 pA，线性量程能达到3个数量级，平均在24 h内的电压漂移量≤0.5 mV，测试精度及稳定性可用于传感信号的放大测量；采用锂电池对系统进行供电，既免除了电源纹波的影响，也使得电路使用更加便携化；通过两层屏蔽，使得该电路针对射频辐射抗扰具有较好的抗扰度，可辅助设备实现远程测量。

[1] 李澍,李佳戈,苏宗文.医疗器械电磁兼容标准解析[J].中国医疗设备,2014,29(2):14-17,79.

[2] GB/T 17626.3-2006,电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验[S].北京:中国标准出版社,2006.

[3] 于涛,史永谦,罗璋琳,等.基于噪声分析方法的微电流快响应放大器[J].核电子学与探测技术,2003,23(6):529-531.

[4] 肖贵贤.用于气压测量的微弱信号检测电路[J].医疗装备,2010, 23(3):13-14.

[5] 周永军.电磁场与生物体相互作用及安全性分析[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[6] 严福兴.极微弱光电流测量电路的设计[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2006,28(11):114-116.

[7] 李方方.微弱信号检测与采集技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[8] 于维佳.便携式多参数医学信号处理器的研制[D].广州:中山大学,2008.

[9] 胡诞康.微弱信号的测量[J].电子质量,2005,(5):1-4.

Design and Validation of Amplif i cation Circuit for Weak Signals in Radiofrequency Radiation Immunity Environment

LI Shu1, ZHAO Dong-jie2, SU Zong-wen1
1.Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China;
2.Research Center of Logistics Technology Engineering for Universities in Beijing, Beijing Wuzi University, Beijing 101149, China

This paper introduced the design process, implementation methods and validation process of an amplification circuit for weak signals in radiofrequency radiation immunity environment, and summarized key points of improving the circuit performance. The validation results showed that the circuit with favourable noise immunity will be of assistance to the remote measurement of medical equipment.

radiation immunity; signal amplif i cation circuit; noise level; voltage drift; linearity range

TN03

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.09.040

1674-1633(2014)09-0109-03

2014-07-25

2014-08-01

国家科技支撑计划课题（2012BAI22B04）；北京高校物流技术工程研究中心项目资助（BJLE2010）；北京物资学院青年科研基金项目资助（2014XJQN15）。

苏宗文，高级工程师。

作者邮箱：ooszwoo@126.com