一種光傳感器高性能放大電路的設(shè)計(jì)研究

0 引言
    傳感網(wǎng)具有部署靈活、方便擴(kuò)展等特點(diǎn)，可用于事件檢測、目標(biāo)定位、跟蹤識別、信息傳輸和智能處理。傳感器是傳感網(wǎng)概念中最基礎(chǔ)和最廣泛的技術(shù)支撐之一。傳感器又有電子和光學(xué)之分，其應(yīng)用上有測力、稱重、測溫等方式。隨著激光和光纖技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，近幾年來，光傳感器得到了快速發(fā)展。光傳感器具有靈敏度高，不受電磁干擾，應(yīng)用簡單，性價(jià)比高等特點(diǎn)，在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如各類家電搖控器，光電測量系統(tǒng)，光纖傳感領(lǐng)域，全光網(wǎng)絡(luò)等。
    根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)對傳感器技術(shù)的要求，研究其信號的放大與傳輸技術(shù)是目前傳感網(wǎng)的研究熱點(diǎn)之一。如何提高微弱的光傳感器信號的放大性能和傳輸效率，是光傳感器需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要針對光傳感器的放大電路進(jìn)行研究，深入了解光傳感信號的特點(diǎn)及對光傳感器的性能要求，掌握特定放大電路的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，特別是運(yùn)用新器件的能力及電路改進(jìn)的措施。依據(jù)目前放大器件及電路設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐，設(shè)計(jì)出實(shí)用的新型高性能光傳感器放大電路。

1 光傳感器及放大電路的現(xiàn)狀和特點(diǎn)
    隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和應(yīng)用，對光傳感器提出了更高要求，如在特殊環(huán)境下的使用，要求有更高的靈敏度，更大的波動(dòng)性，低能耗，微型化等。這就需要光傳感器的信號放大電路更具穩(wěn)定性和長壽命，故障率低，更大的輸出功率和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
    由于光傳感器在一些應(yīng)用場合采集到的光信號非常微弱，如夜間或光線較暗的場所，而在一些場合光線又比較強(qiáng)烈，如陽光下或聚光燈下等。因此，放大器應(yīng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和更好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。雖然目前放大器的種類很多，但符合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)要求的高性能光傳感放大器還處于完善和改進(jìn)階段，有待進(jìn)一步研究和解決的技術(shù)問題還有不少，如穩(wěn)定性問題，高增益需求，較大動(dòng)態(tài)范圍，低噪聲特性，較高輸出電平，較強(qiáng)抗干擾能力等。

2 光傳感器放大電路設(shè)計(jì)研究
2．1 光傳感器的驅(qū)動(dòng)電路
    圖1是紅外線驅(qū)動(dòng)電路，LED用作光傳感器光源。為減少自然光、照明光和其他干擾光的影響，需對反相器電路產(chǎn)生的脈沖輸出進(jìn)行脈沖調(diào)制，反相器中的GA和GB構(gòu)成振蕩電路，如果反相器GA和GB的門限電平為1／2Ucc(Ucc為MC14069電源電壓)，則電路的振蕩頻率f由電容C1和電位器RP的值決定，即f=1／(2．2RC)。其中，R為RP的阻值，C為C1的電容值。電路中R3是保護(hù)GA的輸入電阻，為了在更換成其他類元件時(shí)頻率與占空比不改變，R3的值要足夠大于RP的值。若采用兩個(gè)二級管VD1和VD2及RP2和RP3替代RP，就可以分別調(diào)整C1的放電時(shí)間，調(diào)整RP2與RP3可以調(diào)整頻率與占空比。反相器GC用于激勵(lì)晶體管VT1，減少對振蕩電路的影響，GD也是同樣的目的，晶體管VT1用于驅(qū)動(dòng)LED，電阻R1是LED的限流電阻，同時(shí)也起到去耦作用。

2．2 低噪聲前置放大電路
    研究表明，對光傳感器前置放大電路的具體要求是：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力、結(jié)構(gòu)緊湊、靠近光電敏感器件并具有良好的接地和屏蔽。
    低噪聲前置放大器通常設(shè)置在光傳感器與光電敏感器件的輸出端和主放大器之間，它的任務(wù)是放大光電敏感器件所輸出的微弱信號，并匹配后續(xù)調(diào)整電路與光電敏感器件之間的阻抗。
    設(shè)計(jì)前置放大器電路：
    (1)首先要考慮的幾個(gè)問題是：應(yīng)滿足放大電路的高信噪比和信號源阻抗與放大器之間的噪聲匹配(信號源阻抗等于最佳源阻抗)；要考慮電路組態(tài)、形式等，以滿足增益、頻響、輸入／輸出阻抗等方面的要求；要采取一定的方法來減少噪聲，采取屏蔽以及接地措施來避免信號干擾。
    (2)為了滿足低噪聲放大器對噪聲匹配的要求，應(yīng)選擇合適的放大器件，也就是源電阻。試驗(yàn)表明，源電阻在100 Ω～1 MΩ之間選用晶體管，源電阻在1 kΩ～1 MΩ之間可選用運(yùn)放，源電阻在1 kΩ～1 GΩ之間多采用結(jié)型場效應(yīng)管，源電阻超過1 MΩ也可選用MOSFET。一般紅外光電管的輸出電阻為20 kΩ，因此，選用晶體管、運(yùn)算放大器、結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管均可。相比較而言，運(yùn)算放大器特別是CMOS型集成運(yùn)放具有輸入阻抗高、失調(diào)電壓和溫度漂移較小、共模抑制比高、動(dòng)態(tài)范圍較寬、對溫度變化和電源變化及其他外界干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，因此適用放大微弱信號，同時(shí)采用運(yùn)算放大器也可使電路設(shè)計(jì)簡化，組裝調(diào)試方便，功耗低，體積小，可靠性增加。
    (3)為了獲得低噪聲特性，放大電路中的其他器件也要考慮低噪聲。這里，電阻可選用金屬膜電阻，電容可選用鉭電容或瓷介電容，而信號輸入線則采用盡可能短的鍍銀屏蔽電纜，電路板使用漏電流小的高絕緣電路板。

3 一種實(shí)用的高性能光傳感器放大電路
    圖2所示是一種基于運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的三級級聯(lián)光傳感器放大電路。設(shè)計(jì)中要注意，對獨(dú)立設(shè)置的單級運(yùn)算放大器其增益取決于反饋電阻Rf和輸人電阻Ri的比值，反相放大器的輸入阻抗等于Ri，而外接電容Cf是補(bǔ)償電容，目的是防止自激。聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)每級放大電路各有側(cè)重。這里，前置放大電路的放大器件采用低噪聲雙極型運(yùn)算放大器NE5534A，并設(shè)計(jì)為負(fù)反饋放大電路，其特點(diǎn)是電容耦合反相放大，但增益固定不變。

    NE5534A是一種高速、低噪聲運(yùn)算放大器，它的等效輸入噪聲電壓較小，其典型值為3．5 nV／Hz，單位增益帶寬為10 MHz，典型共模抑制比為100 dB，電源電壓范圍為-3～-20 V，+3～+20 V，具有0．02％的增益偏差，消耗電流8 mV，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和“虛短”、“虛斷”的概念，可知運(yùn)放兩輸入端電壓相等，即：U+=U-，又Uin=U+，由此可得流過電阻R2的電流為IR2=U-／R2=U+ ／U2=Uin／R2，IR2=IRJ。
    運(yùn)算放大器的輸出為：
   
    因一級放大倍數(shù)為8位，選擇電阻RJ=10R2，由此可得運(yùn)放輸出為：
   
    第2級放大器A2根據(jù)輸入電平在寬范圍改變增益，經(jīng)過2級放大器把光電晶體管VT的入射光電平放大到足夠檢測到的電平，再經(jīng)過同步檢波器與低通濾波器后加到A4比較器的同相輸入端，與加在反相輸入端通過RP2設(shè)定的電壓進(jìn)行比較，若超過RP2設(shè)定的電壓，A4輸出高電平，最后經(jīng)2級反相器整形輸出。

4 光傳感器放大電路的改進(jìn)
    近年來，數(shù)字電路呈主導(dǎo)應(yīng)用，但是，信號的檢出、測量等還是模擬信號，因此，必須對此類放大器進(jìn)行深入研究。采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的傳感器放大電路其改進(jìn)的措施主要有：
    (1)負(fù)反饋特性
    對于多級級聯(lián)的放大器電路，為防止巴克豪森振蕩，負(fù)反饋不可太深，同時(shí)引入相位補(bǔ)償電容。
    (2)電源電壓選用
    包含直流的低頻放大電路，其輸出電壓通常在5～10 V，因此，如果要求較高的輸出電平，運(yùn)算放大器的直流電壓應(yīng)選擇大于10 V以上，這樣可以避免放大器輸出峰值超過電源電壓而形成電源的波動(dòng)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場合大部分是微弱信號，因此，必須充分考慮電源去耦，通常在直流電源進(jìn)入運(yùn)放之前加入100 Ω去耦電阻。
    (3)輸入濾波器設(shè)計(jì)
    對于高精度mV級的DC放大器，其各種交流干擾都將成為放大器寄生信號的重要信號源，因此，必須在運(yùn)算放大器的輸入端加輸入濾波器，通常由一個(gè)大電阻(4．7 kΩD和一個(gè)小電容(3．3μF)構(gòu)成RC濾波，如圖3所示。

5 結(jié)語
    物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起需要對多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究和改進(jìn)及相互融合，為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，傳感器放大電路需要研究和改進(jìn)的方面還有很多。本文給出的放大器的設(shè)計(jì)理論和方法主要適用光傳感器應(yīng)用場合，以三級獨(dú)立和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)為特點(diǎn)，通過驅(qū)動(dòng)電路、阻抗設(shè)計(jì)、負(fù)反饋、濾波設(shè)計(jì)、電源低耗設(shè)計(jì)、整形輸出等技術(shù)的引入，使放大器具有低噪聲、靈敏度高、波動(dòng)性好、低能耗、微型化、壽命長等特點(diǎn)。