海底电场信号具有幅值微弱、相对低频、大动态范围等特点，要求观测电路具有低漂移、低噪声、大动态范围等特性，尤其是低频段的低本底噪声特性。目前通用的低噪声集成放大器最佳工作频段多在1 k Hz附近，低频1／f噪声明显，转角频率也多在1～100 Hz，并且功耗较大，单通道为50～100 mW，难以满足海底测量电场的低噪声、低功耗要求。为实现低频信号的低噪声放大，斩波放大器原理框图如图7.2所示，先将低频微弱信号进行斩波，将其调制至几千赫兹，再对调制后的信号进行低噪声放大。因调制信号频段较高，可以忽略放大器自身1／f噪声的影响，经放大的调制信号再经解调后还原成低频信号，此时信噪比大大改善。因此斩波放大器可以获得良好的低频噪声特性。

图7.2　斩波放大器原理框图

斩波放大器包括时钟电路、斩波电路、变压器耦合电路、交流放大电路、同步解调电路、低通滤波电路和直流放大电路。其中时钟电路产生控制斩波电路和同步解调电路的时钟信号，频率为2 k Hz；斩波电路将电场传感器变送的微弱低频信号转换成交流信号；变压器耦合电路实现阻抗变换，同时对交流信号进行放大；交流放大电路对交流信号低噪声进行放大，通带增益约为250倍；同步解调电路实现交流放大信号的解调；低通滤波电路抑制带外噪声；直流放大电路与低通滤波器一起组成带通滤波器，带宽为10 m Hz～100 Hz。

根据以上原理设计的三通道斩波放大器（图7.3）电路频率响应如图7.4所示，所实现的斩波放大器电压噪声典型指标为0.6 n V／sqrt（Hz）@1 Hz，增益约为60 dB，量程约为-5～5 m V。

图7.3　斩波放大器实物图(www.daowen.com)

将放大器输入端短接，借助第三方数据采集单元对放大器的输出进行电压采集，采样率设置为100 Hz，连续观测10 h以上。图7.5为斩波放大器的噪声测量结果。图7.5a展示的为10 000 s时间长度的噪声时域波形，噪声峰峰值约为30 n V，失调电压为250～255 n V；图7.5b为对10 000 s噪声时间序列进行直方图统计，噪声呈高斯分布，在255 n V附近概率密度最大；图7.5c为噪声功率谱密度统计图，对图7.5a中的10 000 s时间序列分为若干段进行功率谱密度计算，黑色细曲线为分次计算结果，红色粗曲线为各次计算结果的平均值，表明前放噪声约为0.6 n V／rt（Hz）@1 Hz，转角频率约为0.1 Hz，低频段噪声增加至3 n V／rt（Hz）@1 m Hz。

图7.4　斩波放大器频率响应

图7.5　斩波放大器噪声测试结果