摘 要： 从弹光调制干涉具中出来的干涉光经过探测器接收所输出的电信号频率很高且幅度只有几十毫伏左右，极易受到噪声干扰。有效地将其检测提取并放大至高速AD采集信号范围600 mV～4 V对弹光调制-傅里叶变换光谱仪的光谱反演至关重要。因此，需要设计一种高频、高增益、低噪声的两级放大电路。该电路主要由直流稳压电源电路、小信号放大电路和截止频率为50 MHz的低通无源滤波电路组成。实验结果表明，该放大滤波电路可以将弹光干涉信号平稳放大至150倍左右，能够为后续的采集存储提供良好的信号源。
0 引言
随着航天航空、军事科技等高科技领域的飞速发展，被测物质的光谱信息需要通过光谱的傅里叶变换得到[1]。弹光调制光谱仪可以克服扫描速度慢、光谱范围窄、抗震性弱、信号处理慢等普通傅里叶变换光谱仪的缺点，使其快速获取光谱信息。弹光调制干涉具由调制和驱动控制系统组成，调制器件主要由输出力的压电石英和调制硒化锌组成，晶体驱动部分采用高负载的高压谐振电路进行驱动[2]。驱动电压越高，经过双折射后输出的干涉信号频率就越高并且通过数出干涉信号有效峰个数后计算得出的光程差也就越大。因此将高频小信号无失真放大到A/D采集范围显得非常关键[3]。
1 弹光调制干涉具原理
弹光调制干涉偏振结构如图1所示，在高压谐振驱动下利用压电石英逆压电效应通过施加交变电压使得弹光晶体产生周期性形变，并且弹光调制器的光程延迟值与形变量成正比[4]。通过相应的压缩和拉伸，使晶体产生共振，形成了应力驻波，晶体会出现周期性的双折射，经过起偏器和检偏器，出现了周期性的调制光程差，从而最后实现了干涉调制[5]。
入射光A1经过起偏器产生与x、y轴成45°偏振光，经过弹光晶体发生双折射被分成o光和e光，通过晶体后产生mn的光程差。n为折射率差，m为晶体中通光路径厚度，然后再通过检偏器后产生干涉。
式中B为双折射率差的最大值，f为高压谐振电路提供的频率。因此得到的弹光调制干涉信号为：
2 小信号放大滤波电路设计
在分析弹光调制干涉信号特点的基础上，设计直流稳压电源为小信号放大电路稳定地供电，最后通过低通无源滤波器进行有效的滤波、降噪。通过PCB敷铜，减少电磁辐射干扰，将组件本身的噪声抑制到最低程度，实现信号路径的整体匹配[6]。
2.1 直流稳压电源设计
电源电路如图2所示，整个电路的输入电压为+12 V。利用稳压电源芯片MORNSUN具有温漂小、输出过压保护、电流保护以及效率高达88%的特性，通过MORNSUN使得输出电压转换为±5 V。在芯片管脚与模拟地之间接入滤波电容C1、C2、C4、C5用来滤除低频干扰，C3、C6用来滤除高频交流杂波。使用示波器检测电源管脚的交流电压，得出电压纹波只有5 mV左右，满足放大电路的供电要求。
2.2 小信号放大器设计
微弱的电信号进入放大器输入端之后，夹杂的噪声同样会被放大，这样就会影响输出信号的质量，因此需要选择低噪元件来解决这一问题，TI公司生产的芯片OPA657作为电压反馈运算放大器具有高增益、低噪等特性，它的参数指标见表格1。
电路设计如图3所示，电源正负电压首先通过LC滤波以减少失调电压及其温漂、低噪、共模电压对运算放大器的影响，运算器电源端并联10 F、0.1 F旁路电容用来滤除高频噪声并且防止其他电路信号进入运放造成振荡。同相放大需要满足在开环增益足够大时，不会让运放饱和，并且输入两端电压差要非常小从而实现虚短、虚断。根据正相比例电压放大基本电路通过参考芯片数据手册进行设计正相电压负反馈放大电路，得到电路增益为：
A(w)为开环增益，是随频率增加而减小的函数[7]。负反馈电路调节电路的稳定性，Ra作为负反馈电阻必须有足够精度，且电路闭环增益要小，从而具有较高共模抑制比进行共模信号抑制。随着频率的上升，首先附加相移会变大，反馈信号的相移会符合正反馈的条件发生自激振荡[8]，需要通过补偿电容C1=C2=0.1 pF进行相位补偿网络提高稳定性。计算此时电路的零点频率：
得出fz=48.2 MHz，可知补偿电容的取值满足信号带宽理论范围。其次放大电路的稳定性会逐渐变差，这样会使得两级放大后各段频率放大倍数不一致，造成严重失真，通过RC电路能够在放大要求带宽内延长频率响应平稳度，最后经过计算并且调试电路得出当反馈电阻R1=R2=330 ，放大器输入负端-IN接入电阻R7=R12=33 ，+IN输入端连接电阻R=Ra//Rb即R10=R11=30 时，在所需频率范围内前置放大倍数均为12倍，使得信号在0～50 MHz频率范围内放大倍数趋于稳定，避免发生失真[9]。
120 MHz高速A/D转换器采集量程为600 mV～4 V，因此需要采用两级级联方式来提高放大倍数。当级联两级放大电路输出阻抗不匹配时，信号就会发生反射，而阻抗匹配可以使两级的阻抗为纯阻性，消除电抗影响，使得信号无损传输。通过在前级运放的输出近端串联50 电阻进行串行匹配后，信号在后置运放输入点会有一次反射，由于反射信号做了阻抗匹配，反射回来的信号经过阻抗均匀的导线，则信号就不会再反射回去。
2.3 滤波电路设计
干涉信号从探测器出来时会伴随着噪声，并且在示波器与信号发生器连接的同时也会引入干扰等，通过频谱仪观察到整个干涉信号带宽为50 MHz左右，因此设计了在-3 dB处截止频率为50 MHz的低通无源滤波器[10]。图4所示设计纹波系数0.1在二倍频处衰减大于40 dB的五阶无源低通椭圆滤波器。输入输出电阻阻抗匹配各为50 。为了使得输入信号失真最小，在滤波器工作频率范围内，将典型值设为6 dB，使其得到固定的延迟。
3 实验结果及数据分析
3.1 滤波电路结果仿真及测试
利用Filter Solution 10.0对椭圆低通滤波器幅频特性进行仿真，如图5所示。当频率大于50.15 MHz时信号开始大幅度衰减，在90 MHz时频率衰减接近40 dB，与理论分析相差不大，并且通过信号发生器给滤波电路一个1 V正弦激励，将信号源接入滤波器的输入端，示波器接入测试滤波器的输出端，输出阻抗为50 。逐步调试信号源的频率，记录示波器的信号幅度，当示波器测试幅度为0.707 V时，此时对应滤波器的带宽，当示波器信号幅度极小时，此时信号源的频率对应滤波器的截止频率。
3.2 两级放大电路实验
图6所示以18 W碳硅棒作为光源，在谐振频率为49.401 kHz、幅值为270 V正弦高压信号驱动下，干涉信号峰峰值Vin为21.6 mV，将其接入两级放大滤波电路后输出得到无失真电压放大信号峰峰值Vout为2.64 V，放大增益为41.7 dB，满足A/D采集量程。
4 结论
针对干涉信号特点，设计具有高信噪比和较高带宽的小信号放大滤波电路。实验证明，该电路实现了对带宽范围内微弱电信号的有效放大并且整体趋于平稳，为后续的傅里叶变换和光谱还原反演等处理提供了可靠依据。在信号发生器、示波器和射频线之间传输时，高频信号易发生微弱衰减，造成输出幅值略减小，因此需要进一步的优化。
参考文献
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