楊 京，張滌新，王 驥，陳 江，朱宏偉

（蘭州物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

磁選態(tài)銫原子鐘具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性，被廣泛的應(yīng)用于時(shí)間守時(shí)授時(shí)系統(tǒng)、測(cè)距定位、數(shù)字通訊、精密大地測(cè)量、軍事測(cè)繪和科學(xué)研究等領(lǐng)域[1]。銫原子鐘由二部分組成：（1）物理部分也就是銫束管，用于產(chǎn)生一個(gè)能級(jí)躍遷Ramsey信號(hào)，經(jīng)電子倍增器放大后輸入頻標(biāo)電路進(jìn)行處理；（2）頻標(biāo)電路，對(duì)Ramsey信號(hào)進(jìn)行鑒頻，利用鎖頻環(huán)路去鎖定一個(gè)晶體振蕩器產(chǎn)生的固定頻率信號(hào)。目前，受到技術(shù)和工藝水平的限制，電子倍增器增益日衰減率大、壽命短，直接影響到銫原子鐘的工作壽命和穩(wěn)定性[2]。

作者采用高性能放大器對(duì)銫束管Ramsey信號(hào)進(jìn)行放大，Ramsey信號(hào)約為1 pA，要求經(jīng)過放大后的信號(hào)為100 mV，放大器增益要達(dá)到1011量級(jí)，信號(hào)信噪比大于3 500，這對(duì)放大器的性能提出了特殊的要求。通過對(duì)銫束管信號(hào)特性的分析，根據(jù)其信號(hào)微弱、帶寬窄等特點(diǎn)[3]，選用高精度、高阻抗運(yùn)算放大器OPA128LM設(shè)計(jì)了一種放大濾波電路，用于銫束管Ramsey信號(hào)的放大；并運(yùn)用Protel設(shè)計(jì)了用于微電流放大器參數(shù)測(cè)試的微電流源，對(duì)微電流放大器的功能進(jìn)行了仿真調(diào)試，驗(yàn)證其功能、技術(shù)指標(biāo)以及修正元器件參數(shù)等。

2 微電流放大器的設(shè)計(jì)

根據(jù)Ramsey信號(hào)測(cè)量對(duì)于放大器增益以及噪聲的要求，以高增益、低噪聲作為放大電路設(shè)計(jì)的2個(gè)前提要素，整個(gè)微電流放大器由前置放大電路、功率放大電路、濾波電路3部分構(gòu)成。整個(gè)電路總體框圖如圖1所示。

圖1 放大電路總體框圖

其中前置放大電路微弱信號(hào)的處理，是最主要的放大部分，關(guān)系到整個(gè)電路性能的優(yōu)劣，必須具有高精度、高穩(wěn)定性、高共模抑制比、低噪聲等特點(diǎn)，故選用OPA128LM作為前置放大電路的芯片。該芯片的最大偏置電流僅為75 fA，共模抑制比高達(dá)118 dB，最大失調(diào)電壓為0.5 mV，適合微弱信號(hào)的放大。與芯片INA128UA構(gòu)成的功率放大電路就組成了整個(gè)電路的主體放大部分，具體的電路圖如圖2所示，其中OPA177和REF200AU構(gòu)成該微電流放大器的調(diào)零部分。

圖2 微電流放大器主體放大電路

為了降低周圍環(huán)境以及前級(jí)放大電路所帶來的噪聲，在主體放大電路后面，采用芯片UAF42構(gòu)成的濾波電路來限制帶寬，濾除不需要的噪聲，從而可以極大地改善信號(hào)質(zhì)量。由于Ramsey信號(hào)為一個(gè)低頻信號(hào)，而疊加進(jìn)來的噪聲相對(duì)于信號(hào)來說是高頻噪聲，所以將UAF42設(shè)置成低通濾波器，截止頻率定為350 Hz。根據(jù)該芯片自帶的CAD軟件FILTER42的計(jì)算結(jié)果[4]，將UAF42設(shè)置成PP3工作模式，其中各元器件的參數(shù)為RG=50.0 kΩ、RF1=RF2=453.0 kΩ、C1A=C2A=7071 pF、RQ=44.2 kΩ。這樣得到的整個(gè)放大電路如圖3所示。

圖3 微電流放大整體電路

此時(shí)，整個(gè)放大電路的輸出關(guān)系為 UO=-Ii×（1+R4÷R3）×R2×（1+50000÷RG）。假如 R4=10 kΩ，R3=1 kΩ，R2=100 MΩ，RG=500 Ω，這樣，放大電路增益可以達(dá)到1011量級(jí)，滿足Ramsey信號(hào)測(cè)量對(duì)于放大電路增益的要求。

3 Protel[5]仿真調(diào)試運(yùn)行結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否滿足Ramsey信號(hào)放大的要求，比如增益是否達(dá)到1011量級(jí)以及頻率響應(yīng)等問題，用電路設(shè)計(jì)軟件Protel進(jìn)行了仿真模擬測(cè)試。圖4就是為了仿真測(cè)試而設(shè)計(jì)的微電流源，此時(shí)輸出電流 IOUT=V1R1÷R2R4。

圖4 仿真微電流源電路

將所設(shè)計(jì)的微電流放大器和微電流源進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，具體的電路圖如圖5所示。

圖5 Protel仿真聯(lián)合調(diào)試電路圖

3.1 放大電路增益的測(cè)量

由于銫束管Ramsey輸出信號(hào)在后續(xù)頻標(biāo)電路的處理中要受到137 Hz信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)來穩(wěn)定銫鐘的量子躍遷頻率9 192 631 770 Hz[3]，故在此輸入1 pA、137 Hz的信號(hào)來測(cè)試放大電路的性能，具體的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真測(cè)試結(jié)果

故可以得到該放大電路在輸入信號(hào)為137 Hz下的增益A=1.043×1011，滿足Ramsey信號(hào)放大對(duì)于電路增益的要求。

3.2 參數(shù)測(cè)量

分別取頻率為 1 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、350 Hz、359 Hz、380 Hz 的信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如表1所列；所設(shè)計(jì)的Ramsey信號(hào)微電流放大電路的通頻帶為1～359 Hz，如圖7所示。

表1 放大電路參數(shù)測(cè)量結(jié)果

圖7 放大電路的頻率響應(yīng)圖

4 結(jié)論

分析了銫束管信號(hào)特性，設(shè)計(jì)了可用于銫束管Ramsey信號(hào)測(cè)量的放大電路，通過電路應(yīng)用軟件protel設(shè)計(jì)了微電流源與放大電路聯(lián)合進(jìn)行了仿真、調(diào)試，取得了較好的效果。從調(diào)試結(jié)果來看，放大器能夠?qū)Υ胚x態(tài)銫原子鐘Ramsey信號(hào)進(jìn)行放大，增益等參數(shù)符合電路設(shè)計(jì)要求。

[1]翟造成，王慶華.發(fā)展我國(guó)的空間用高準(zhǔn)確度原子鐘[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2000，10（20）：17～20.

[2]肖東，邱家穩(wěn)，張滌新，等.高純石墨對(duì)銫吸附性能的研究[J].真空與低溫，2009，15（2）:99～102.

[3]王義遒，王慶吉，傅濟(jì)時(shí)，等.量子頻標(biāo)原理[M].北京:科學(xué)出版社，1986.

[4]鄧勇，劉琪，施文康.通用有源濾波器UAF42的CAD軟件—FILTER42[J].國(guó)外電子元器件，2001，11：44～46.

[5]陳學(xué)平，蘭帆，胡勇.Proteldxp2004電路設(shè)計(jì)與電路仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.