微弱信号检测装置 四川理工学院 刘鹏飞、梁天德、曾学明 摘要： 本设计以TI的Launch Pad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。 关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；Launch Pad Abstract: This design is based on the Launch Pad of TI core board, using a lock-in amplifier technique designed and produced a weak signal detection device, to measure the known frequency sine wave signal amplitude values of the weak in the high noise background, and shows the measured signal amplitude of the corresponding value in the liquid crystal screen. Test results showed that it has high accuracy and strong anti-jamming capability. Keywords: weak signal detection; lock-in-amplifier; Launch Pad 1、引言 随着现代科学技术的发展，在科研与生产过程中人们越来越需要从复杂高强度的噪声中检测出有用的微弱信号，因此对微弱信号的检测成为当前科研的热点。微弱信号并不意味着信号幅度小，而是指被噪声淹没的信号，“微弱”也仅是相对于噪声而言的。只有在有效抑制噪声的条件下有选择的放大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。微弱信号检测技术的应用相当广泛，在生物医学、光学、电学、材料科学等相关领域显得愈发重要。 2、方案论证 针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。下面就针对这几种方法做一简要说明。 方案一：滤波法。 在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频谱重叠的情况，有其局限性。虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。
上传时间： 2013-11-04
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针对传统第二代电流传输器（CCII）电压跟随不理想的问题，提出了新型第二代电流传输器（CCCII）并通过采用新型第二代电流传输器（CCCII）构成二阶电流模式带通滤波器，此滤波器只需使用2个电流传输器和2个电容即可完成设计。设计结构简单，其中心频率可由电流传输器的偏置电流控制。利用HSpice软件仿真分析并验证了理论设计的准确性和可行性。
上传时间： 2013-11-15
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介绍了一种新型线性自动跟踪工频陷波器的电路结构。该陷波器应用于电子束曝光机束流测量电路中，用来抑制工频干扰对测量精度的影响。基于对自动跟踪陷波器的基本工作原理分析，陷波器采用了频率/电压转换器与压控带阻滤波器相结合的设计方案，成功地解决了工频频偏对常规工频陷波器滤波性能的严重影响问题。提出了提高抑制工频干扰能力的设计要点和电路调试方法。通过性能指标的测试和长期实际运行应用，证明陷波器满足了电子束测量中对工频干扰进行强抑制的要求，提高了电子束曝光机的制版质量。
上传时间： 2013-11-13
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介绍了一种横向Ka波段宽带波导-微带探针过渡的设计，基于有限元场分析软件Ansoft HFSS对该类过渡的设计方法进行了研究。最后给出了Ka波段内的优化数据。仿真结果表明，该宽带波导-微带探针过渡在26.5G~40 GHz内插入损耗小于0.065 dB，达到了设计目标。
上传时间： 2014-05-27
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心电（Electrocardiograph）作为人体重要的生理及病理指标之一，具有重要的医学研究价值。针对其信号微弱、频率低、阻抗高、随机性强及易受干扰的特点，首先提出了信号调理电路设计的要求；然后针对性地选择元器件并设计硬件电路，其中包括：一级放大电路、调零电路、50 Hz限波电路、带通滤波电路及二级放大电路；最后对所设计的硬件电路进行实际测试。结果表明该调理电路具有输出波形稳定、噪声小和共模抑制比高的特点，提高了心电信号采集的精度。
上传时间： 2014-01-19
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为了解决声表面波滤波器插损太大，造成有用信号衰减严重，弥补插损又会引起底部噪声抬高的问题。该文设计了一种用LC集总元件实现的窄带带通滤波器，其特点是插入损耗小，成本低，带外衰减大，较好解决了因声表面波滤波器插损大而引起的一系列问题，不会引起通道底部噪声的抬高。仿真结果证明了该设计方案的可行性。
上传时间： 2013-11-18
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根据基带成型滤波器的工作原理，文中设计出了一种基带成型滤波器的数字实现方案。该方案首先运用MATALB仿真工具得到信号基带成型后的仿真数据，并将仿真数据存储在FPGA中，然后通过查表操作实现了数字基带成型滤波器的功能。文中还给出了通过MODELSIM得到的信号基带成型后的仿真结果，仿真结果表明，由该方案所设计的基带成型滤波器可以很好地完成通信系统中信号的成型特性。
上传时间： 2013-11-09
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设计了一种用于高速ADC中的高速高增益的全差分CMOS运算放大器。主运放采用带开关电容共模反馈的折叠式共源共栅结构，利用增益提高和三支路电流基准技术实现一个可用于12~14 bit精度，100 MS/s采样频率的高速流水线（Pipelined）ADC的运放。设计基于SMIC 0.25 μm CMOS工艺，在Cadence环境下对电路进行Spectre仿真。仿真结果表明，在2.5 V单电源电压下驱动2 pF负载时，运放的直流增益可达到124 dB，单位增益带宽720 MHz，转换速率高达885 V/μs，达到0.1%的稳定精度的建立时间只需4 ns，共模抑制比153 dB。
上传时间： 2014-12-23
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近年来，随着集成电路工艺技术的进步，电子系统的构成发生了两个重要的变化： 一个是数字信号处理和数字电路成为系统的核心，一个是整个电子系统可以集成在一个芯片上（称为片上系统)。这些变化改变了模拟电路在电子系统中的作用，并且影响着模拟集成电路的发展。 数字电路不仅具有远远超过模拟电路的集成规模，而且具有可编程、灵活、易于附加功能、设计周期短、对噪声和制造工艺误差的抗扰性强等优点，因而大多数复杂系统以数字信号处理和数字电路为核心已成为必然的趋势。虽然如此，模拟电路仍然是电子系统中非常重要的组成部分。这是因为我们接触到的外部世界的物理量主要都是模拟量，比如图像、声音、压力、温度、湿度、重量等，要将它们变换为数字信号，需要模拟信号处理和数据转换电路，如果这些电路性能不够高，将会影响整个系统的性能。其次，系统中的许多功能不可能或很难用数字电路完成，如微弱信号放大，很高频率和宽频带信号的实时处理等。因此，虽然模拟电路在系统中不再是核心，但作为固有的模拟世界与数字系统的接口，其地位和作用仍然十分重要。 片上系统要求将数字电路和模拟电路集成在一个芯片上，这希望模拟电路使用与数字电路相同的制造工艺。随着MOS器件的线宽不断减小，使MOS器件的性能不断提高，MOS数字电路成为数字集成电路的主流，并因此促进了MOS模拟集成电路的迅速发展。为了适应电子系统功能的不断扩展和性能的不断提高，对模拟电路在降低电源电压、提高工作频率、扩大线性工作范围和提高性能指标的精度和稳定度等方面提出更高要求，促进了新电路技术的发展。 作为研究生课程的教材，本书内容是在本科相关课程基础上的深化和扩展，同时涉及实际设计中需要考虑的一些问题，重点介绍具有高工作频率、低电源电压和高工作稳定性的新电路技术和在电子系统中占有重要地位的功能电路及其中的新技术。全书共7章，大致可分为三个部分。第一部分包括第1章和第7章。第1章为MOS模拟集成电路基础，比较全面地介绍MOS器件的工作原理和特性以及由MOS器件构成的基本单元电路，为学习本教材其他内容提供必要的知识。由于版图设计与工艺参数对模拟集成电路性能的影响很大，因此第7章简单介绍制造MOS模拟集成电路的CMOS工艺过程和版图设计技术，读者可以通过对该章所介绍的相关背景知识的了解，更深入地理解MOS器件和电路的特性，有助于更好地完成模拟集成电路的可实现性设计。第二部分为新电路技术，由第2章、第3章和第5章的部分组成，包括近年来逐步获得广泛应用的电流模电路、抽样数据电路和对数域电路，它们在提高工作频率、降低电源电压、扩大线性工作范围和提高性能指标的精度和稳定度方面具有明显的潜力，同时它们也引入了一些模拟电路的新概念。这些内容有助于读者开拓提高电路性能方面的思路。第2章介绍电流模电路的工作原理、特点和典型电路。与传统的以电压作为信号载体的电路不同，这是一种以电流作为信号载体的电路，虽然在电路中电压和电流总是共同存在并相互作用的，但由于信号载体不同，不仅电路性能不同而且电路结构也不同。第3章介绍抽样数据电路的特点和开关电容与开关电流电路的工作原理、分析方法与典型电路。抽样数据电路类似于数字电路，处理的是时间离散信号，又类似于模拟电路，处理的是幅度连续信号，它比模拟电路具有稳定准确的时间常数，解决了模拟电路实际应用中的一大障碍。对数域电路在第5章中结合其在滤波器中的应用介绍，这类电路除具有良好的电性能外，还提出了一种利用器件的非线性特性实现线性电路的新思路。第三部分介绍几个模拟电路的功能模块，它们是电子系统中的关键组成部分，并且与信号和信号处理联系密切，有助于在信号和电路间形成整体观念。这部分包括第4章至第6章。第4章介绍数据转换电路的技术指标和高精度与高速度转换电路的构成、工作原理、特点和典型电路。第5章介绍模拟集成滤波器的设计方法和主要类型，包括连续时间滤波器、对数域滤波器和抽样数据滤波器。第6章介绍通信系统中的收发器与射频前端电路，包括收信器、发信器的技术指标、结构和典型电路。因为载波通信系统传输的是模拟信号，射频前端电路的性能对整个通信系统有直接的影响，所以射频集成电路已成为重要的研究课题。 〖〗高等模拟集成电路〖〗〖〗前言〖〗〖〗本书是在为研究生开设的“高等模拟集成电路”课程讲义的基础上整理而成，由董在望主编，第1、4、7章由李冬梅编写，第6章由王志华编写，第5章由李永明和董在望编写，第2、3章由董在望编写，李国林参加了部分章节的校核工作。 本书可作为信息与通信工程和电子科学与技术学科相关课程的研究生教材或教学参考书，也可作为本科教学参考书或选修课教材和供相关专业的工程技术人员参考。 清华大学出版社多位编辑为本书的出版做了卓有成效的工作，深致谢意。 限于编者水平，难免有错误和疏漏之处，欢迎批评指正。 目录 1.1MOS器件基础及器件模型 1.1.1结构及工作原理 1.1.2衬底调制效应 1.1.3小信号模型 1.1.4亚阈区效应 1.1.5短沟效应 1.1.6SPICE模型 1.2基本放大电路 1.2.1共源(CS)放大电路 1.2.2共漏(CD)放大电路 1.2.3共栅(CG)放大电路 1.2.4共源共栅(CSCG)放大电路 1.2.5差分放大电路 1.3电流源电路 1.3.1二极管连接的MOS器件 1.3.2基本镜像电流源 1.3.3威尔逊电流源 1.3.4共源共栅电流源 1.3.5有源负载放大电路 1.4运算放大器 1.4.1运算放大器的主要参数 1.4.2单级运算放大器 1.4.3两级运算放大器 1.4.4共模反馈(CMFB) 1.4.5运算放大器的频率补偿 1.5模拟开关 1.5.1导通电阻 1.5.2电荷注入与时钟馈通 1.6带隙基准电压源 1.6.1工作原理 1.6.2与CMOS工艺兼容的带隙基准电压源 思考题 2电流模电路 2.1概述 2.1.1电流模电路的概念 2.1.2电流模电路的特点 2.2基本电流模电路 2.2.1电流镜电路 2.2.2电流放大器 2.2.3电流模积分器 2.3电流模功能电路 2.3.1跨导线性电路 2.3.2电流传输器 2.4从电压模电路变换到电流模电路 2.5电流模电路中的非理想效应 2.5.1MOSFET之间的失配 2.5.2寄生电容对频率特性的影响 思考题 3抽样数据电路 3.1开关电容电路和开关电流电路的基本分析方法 3.1.1开关电容电路的时域分析 3.1.2开关电流电路的时域分析 3.1.3抽样数据电路的频域分析 3.2开关电容电路 3.2.1开关电容单元电路 3.2.2开关电容电路的特点 3.2.3非理想因素的影响 3.3开关电流电路 3.3.1开关电流单元电路 3.3.2开关电流电路的特点 3.3.3非理想因素的影响 思考题 4A/D转换器与D/A转换器 4.1概述 4.1.1电子系统中的A/D与D/A转换 4.1.2A/D与D/A转换器的基本原理 4.1.3A/D与D/A转换器的性能指标 4.1.4A/D与D/A转换器的分类 4.1.5A/D与D/A转换器中常用的数码类型 4.2高速A/D转换器 4.2.1全并行结构A/D转换器 4.2.2两步结构A/D转换器 4.2.3插值与折叠结构A/D转换器 4.2.4流水线结构A/D转换器 4.2.5交织结构A/D转换器 4.3高精度A/D转换器 4.3.1逐次逼近型A/D转换器 4.3.2双斜率积分型A/D转换器 4.3.3过采样ΣΔA/D转换器 4.4D/A转换器 4.4.1电阻型D/A转换器 4.4.2电流型D/A转换器 4.4.3电容型D/A转换器 思考题 5集成滤波器 5.1引言 5.1.1滤波器的数学描述 5.1.2滤波器的频率特性 5.1.3滤波器设计的逼近方法 5.2连续时间滤波器 5.2.1连续时间滤波器的设计方法 5.2.2跨导电容（GmC）连续时间滤波器 5.2.3连续时间滤波器的片上自动调节电路 5.3对数域滤波器 5.3.1对数域电路概念及其特点 5.3.2对数域电路基本单元 5.3.3对数域滤波器 5.4抽样数据滤波器 5.4.1设计方法 5.4.2SZ域映射 5.4.3开关电容电路转换为开关电流电路的方法 思考题 6收发器与射频前端电路 6.1通信系统中的射频收发器 6.2集成收信器 6.2.1外差式接收与镜像信号 6.2.2复数信号处理 6.2.3收信器前端结构 6.3集成发信器 6.3.1上变换器 6.3.2发信器结构 6.4收发器的技术指标 6.4.1噪声性能 6.4.2灵敏度 6.4.3失真特性与线性度 6.4.4动态范围 6.5射频电路设计 6.5.1晶体管模型与参数 6.5.2噪声 6.5.3集成无源器件 6.5.4低噪声放大器 6.5.5混频器 6.5.6频率综合器 6.5.7功率放大器 思考题 7CMOS集成电路制造工艺及版图设计 7.1集成电路制造工艺简介 7.1.1单晶生长与衬底制备 7.1.2光刻 7.1.3氧化 7.1.4扩散及离子注入 7.1.5化学气相淀积（CVD） 7.1.6接触与互连 7.2CMOS工艺流程与集成电路中的元件 7.2.1硅栅CMOS工艺流程 7.2.2CMOS集成电路中的无源元件 7.2.3CMOS集成电路中的寄生效应 7.3版图设计 7.3.1硅栅CMOS集成电路的版图构成 7.3.2版图设计规则 7.3.3CMOS版图设计技术 思考题
标签： 模拟集成电路
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平行耦合微带线带通滤波器在微波电路系统中广泛应用。为了提高带通滤波器性能，缩短设计周期，采用奇偶模原理分析与ADS（Advanced Design System）仿真相结合的方法，设计出一个中心频率为2.5 GHz，相对带宽为10%的平行耦合微带线带通滤波器。进一步优化参数，得到电路版图。最终结果证明，这种方法具有设计周期短、可靠性高的特点，且各项参数满足设计要求。
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