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實(shí)用高性能光傳感器放大電路的設(shè)計(jì)研究

發(fā)布時(shí)間:2011-08-30

中心議題:
  • 實(shí)用高性能光傳感器放大電路的設(shè)計(jì)研究
解決方案:
  • 利用光傳感器的驅(qū)動電路
  • 運(yùn)用低噪聲前置放大電路
  • 采用一種實(shí)用的高性能光傳感器放大電路

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)動電路
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圖1是紅外線驅(qū)動電路,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 Q~ 1 MQ 之間選用晶體管,源電阻在1 ka~1 MQ之間可選用運(yùn)放,源電阻在1 kQ~1 GQ之間多采用結(jié)型場效應(yīng)管,源電阻超過1 MQ也可選用MOSFET。一般紅外光電管的輸出電阻為20 kQ,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。
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(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和輸入電阻Ri的比值,反相放大器的輸入阻抗等于Ri,而外接電容c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,消耗電流8 mV,具有良好的動態(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= IR3。

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一10Rz,由此可得運(yùn)放輸出為:
第2級放大器A。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A 比較器的同相輸入端,與加在反相輸入端通過R 設(shè)定的電壓進(jìn)行比較,若超過Rr 設(shè)定的電壓,A 輸出高電平,最后經(jīng)2級反相器整形輸出。
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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。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 kΩ)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、波動性好、低能耗、微型化、壽命長等特點(diǎn)。
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