應(yīng)用新型雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的OFCS光檢測放大器

 光纖電流傳感器(Fiber Optical Current Sensor)以其高絕緣性、抗高電磁噪聲、高線性度響應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在高電壓強(qiáng)電流的測量領(lǐng)域中得到廣泛的重視和研究。

目前研究的光纖電流傳感器普遍應(yīng)用各種物理效應(yīng)，如Faraday磁光效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)，使光通過傳感元件感應(yīng)后，經(jīng)光檢測放大器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換放大處理，以便進(jìn)行傳感信號(hào)分析。

光檢測放大器在整個(gè)OFCS系統(tǒng)中完成光/電信號(hào)變換，將被調(diào)制到光載波上的外界變化量形成電信號(hào)輸出(圖1所示)。

后續(xù)的處理精度多半依賴于檢測放大器輸出的電信號(hào)的精度，因而光檢測放大器的電路設(shè)計(jì)顯得尤為重要。對于光纖電流傳感器來說，需要檢測50Hz的頻率信號(hào)，在普通的放大電路中，50Hz卻常作為工頻噪聲干擾信號(hào)混入，因而加大了OFCS的光電檢測難度。本文將介紹一種新型的PIN光探測器(光敏二極管)的光電檢測放大器設(shè)計(jì)方法。依照弱信號(hào)檢測理論，在電路設(shè)計(jì)時(shí)采取多項(xiàng)措施力圖提高信噪比。為了獲得良好的帶通濾波效果，本文還提出了一種新的雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計(jì)方法。從實(shí)測的結(jié)果來看，這種PIN光檢測放大器的設(shè)計(jì)取得了較為滿意的效果。

1 光電檢測原理

光電檢測電路的轉(zhuǎn)換模式為：光→電流→電壓。

在檢測電路中主要由光電探測器來完成光→電流的轉(zhuǎn)換。目前使用的光電探測器多為PIN探測器。PIN探測器在低偏壓下漏電流低，約在101～10A數(shù)量級(jí)，響應(yīng)速度快，約10-7s，響應(yīng)頻寬為10GHz左右。但PIN管的輸出電流較小，為微安級(jí)，靈敏度較差。光檢測放大器須將PIN接收的光信號(hào)變成與之成比例的微弱電流信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器變換成電壓信號(hào)。

在圖2中PIN相當(dāng)于電流源，設(shè)光生電流為Ip，理想運(yùn)放的輸入阻抗為無窮大，反饋電阻為Rf，根據(jù)運(yùn)放分析規(guī)則，若運(yùn)放的開環(huán)增益為Auo，則可計(jì)算運(yùn)放的等效輸入阻抗為：

其中Rid是運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗?對FET運(yùn)放輸入的情形?Rid可視為無窮大;Auo是開環(huán)放大倍數(shù)?一般Auo數(shù)值極大;將這些值代入上式可知Rin的值很小，接近于零。進(jìn)一步可計(jì)算運(yùn)放輸出，為：

Vo=-Ip×Rf

由此完成了光→電流→電壓的變換。

2放大器電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際光纖電流傳感器的需要，制定了光探測放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：

增益>4000倍;改進(jìn)方式雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)：中心頻率50Hz(檢測工頻電流);輸入頻率帶寬>100kHz;輸出噪聲<10mV。設(shè)計(jì)放大器共分3級(jí)：前兩級(jí)為信號(hào)放大級(jí)，后級(jí)為改進(jìn)的T型選頻網(wǎng)絡(luò)帶通濾波級(jí)。

根據(jù)多級(jí)放大器噪聲分析理論，其噪聲系數(shù)定義為：

F=F1+++KK+

其中Fi為第i級(jí)噪聲系數(shù)，Kpi為第i級(jí)增益。

可見提高第一級(jí)的增益可以有效地抑制噪聲。因此第一級(jí)增益定為100，第二級(jí)定為10，T型選頻網(wǎng)絡(luò)增益為4。在帶通濾波電路的選擇上，由于有用信號(hào)的頻率為50Hz，因此必須選擇相對相移小、高Q值的帶通濾波器進(jìn)行帶通濾波。在放大器電路的各個(gè)部分還存在許多器件的固有噪聲，供電電源處理不當(dāng)也會(huì)引入較大的噪聲，因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到從各方面抑制噪聲的問題。

3 具體設(shè)計(jì)及超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

為了在噪聲干擾比較嚴(yán)重的情況下仍能獲得比較好的帶寬增益和高信噪比，兩級(jí)運(yùn)放全部采用斬波穩(wěn)零超低漂移運(yùn)放ICL7650SC。ICL7650SC為intersil公司出品的14腳單運(yùn)放集成塊，常溫下開環(huán)增益可達(dá)150dB;共模抑制比高達(dá)140dB;輸入偏置電流低于10pA;帶寬2MHz;對溫度和長期工作的漂移電流為微安級(jí)。

電路電阻均選擇經(jīng)過篩選的金屬膜電阻，條件允許的情況下? 可選用線繞電阻。電容選用高頻性能好的磁片電容? 極性電容選擇鉭電容。

第一級(jí)使用ICL7650SC反相放大，完成光電流→電壓的變換，第二級(jí)使用ICL7650SC正相輸入放大，總倍數(shù)為100×10。由于放大器2級(jí)之中產(chǎn)生附加相移，如果因反饋過深引起的附加相移超過180°就會(huì)引起運(yùn)放自激。為了防止自激，可以引入超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)?如圖3，具體做法是與運(yùn)放反饋電阻R7、R5分別并聯(lián)電容C2、C3，從而改善了系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)的零極點(diǎn)位置，達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)的目的。

改進(jìn)后的兩級(jí)相頻曲線如圖4所示(虛線為改進(jìn)前的，實(shí)線為改進(jìn)后的)。從圖中可以看出，加入超前網(wǎng)絡(luò)后顯然能夠有效地改善系統(tǒng)幅頻和相頻響應(yīng)，拓展帶寬，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 新型T型選頻網(wǎng)絡(luò)電路

從前兩級(jí)運(yùn)放出來的信號(hào)仍然混入了大量被前兩級(jí)運(yùn)放放大了的噪聲信號(hào)，因此，必須增加一級(jí)帶通濾波電路進(jìn)行濾波信號(hào)提純。然而，對于噪聲較大信號(hào)的帶通濾波，一般使用的帶通濾波器效果都不是很好。經(jīng)過對各個(gè)帶通濾波電路的反復(fù)測試比較，選用相對相移極小，帶通濾波效果比較明顯的雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的雙T型網(wǎng)絡(luò)(圖5中無運(yùn)放A2時(shí))參數(shù)如下：

其中： R1=R2=2R3=R

C1=C2==C

fo=

Q=

Ho=A1

然而在雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)的使用當(dāng)中，由于其Q值不高，低于1，電路帶通效果不理想。為了提高帶通效果，通常必須采用增大閉環(huán)增益A1的方法來提高，但這種線路結(jié)構(gòu)的Q值選取也受到一定的限制，當(dāng)選取較高的閉環(huán)增益時(shí)，會(huì)引入附加相移，對相對相位變化影響較大，為保證精度，同時(shí)還要求相應(yīng)提高運(yùn)放開環(huán)增益。本文則提出了一種新的T型選頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，使提高Q值的同時(shí)不影響其他參數(shù)變化，帶通寬度更窄，帶通效果更為顯著。具體做法是：在反饋網(wǎng)絡(luò)中再接一個(gè)同相輸比例運(yùn)放作為雙T網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，此時(shí)Q值可再提高A2倍，電路如圖5。其相應(yīng)參數(shù)如下：

fo=

Q=

Ho=-

式中：A1= A2=1+

可見新型T型選頻網(wǎng)絡(luò)的帶通范圍比傳統(tǒng)的T型網(wǎng)絡(luò)更窄，Q值更高，選頻特性更好。改進(jìn)前后的頻響曲線如圖6所示。

5 其他電路處理

在實(shí)驗(yàn)中，由于電磁波干擾較多，還應(yīng)從電路的其他方面抑制噪聲的產(chǎn)生和放大。具體做法如下：

(1)正負(fù)電源加退耦電容，在滿足響應(yīng)時(shí)間的情況下盡可能大些，一般為4.7μF的鉭電容并聯(lián)一個(gè)0.01μF的瓷片電容效果較好

(2)電路板要盡可能地小，采用低溫焊錫?輸入線采用鉗夾方式或紫銅-紫筒連接。電路板制好可以長時(shí)間通電進(jìn)行快速老化，增進(jìn)穩(wěn)定性?

(3)輸入端最好采用保護(hù)環(huán)方式 ?具體方法參見文獻(xiàn)4。輸入輸出線要盡可能地短 ?最好制成一塊小板置于屏蔽盒內(nèi)。屏蔽盒要接地良好。

6 測試結(jié)果和結(jié)論

在光纖電流傳感器實(shí)驗(yàn)的后續(xù)信號(hào)處理中，利用CH1、CH2兩個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行觀測，當(dāng)增益為4000倍時(shí)得到的CH1/CH2波形分別如圖7上下子圖形所示。

噪聲基本被有效抑制，放大器輸出比較穩(wěn)定的50Hz正弦波形，帶通效果顯著，能夠?yàn)楹蠹?jí)的數(shù)據(jù)采集卡提供滿意的電壓信號(hào)。如果將第二級(jí)的反饋電阻改成可調(diào)電阻，該放大器便能夠調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，并且，去除雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)之后，該放大器也可用于其他微弱光電信號(hào)檢測場合，使用會(huì)更加靈活。值得注意的是：一旦將增益設(shè)計(jì)10000倍以上，自激現(xiàn)象較難克服，因此，還應(yīng)利用其他的補(bǔ)償方案來改善頻響特性，從PCB板的設(shè)計(jì)布局方面也應(yīng)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)后噪聲減至最小。