一种光传感器高性能放大电路的设计研究

0 引言
    传感网具有部署灵活、方便扩展等特点，可用于事件检测、目标定位、跟踪识别、信息传输和智能处理。传感器是传感网概念中最基础和最广泛的技术支撑之一。传感器又有电子和光学之分，其应用上有测力、称重、测温等方式。随着激光和光纤技术的进一步应用，近几年来，光传感器得到了快速发展。光传感器具有灵敏度高，不受电磁干扰，应用简单，性价比高等特点，在各种领域得到广泛应用。如各类家电摇控器，光电测量系统，光纤传感领域，全光网络等。
    根据物联网对传感器技术的要求，研究其信号的放大与传输技术是目前传感网的研究热点之一。如何提高微弱的光传感器信号的放大性能和传输效率，是光传感器需要解决的关键技术之一。本文主要针对光传感器的放大电路进行研究，深入了解光传感信号的特点及对光传感器的性能要求，掌握特定放大电路的设计理论和设计方法，特别是运用新器件的能力及电路改进的措施。依据目前放大器件及电路设计理论与实践，设计出实用的新型高性能光传感器放大电路。

1 光传感器及放大电路的现状和特点
    随着物联网概念的提出和应用，对光传感器提出了更高要求，如在特殊环境下的使用，要求有更高的灵敏度，更大的波动性，低能耗，微型化等。这就需要光传感器的信号放大电路更具稳定性和长寿命，故障率低，更大的输出功率和抗干扰能力强等特点。
    由于光传感器在一些应用场合采集到的光信号非常微弱，如夜间或光线较暗的场所，而在一些场合光线又比较强烈，如阳光下或聚光灯下等。因此，放大器应具有很强的适应性和更好的动态调节能力。虽然目前放大器的种类很多，但符合现代物联网要求的高性能光传感放大器还处于完善和改进阶段，有待进一步研究和解决的技术问题还有不少，如稳定性问题，高增益需求，较大动态范围，低噪声特性，较高输出电平，较强抗干扰能力等。

2 光传感器放大电路设计研究
2．1 光传感器的驱动电路
    图1是红外线驱动电路，LED用作光传感器光源。为减少自然光、照明光和其他干扰光的影响，需对反相器电路产生的脉冲输出进行脉冲调制，反相器中的GA和GB构成振荡电路，如果反相器GA和GB的门限电平为1／2Ucc(Ucc为MC14069电源电压)，则电路的振荡频率f由电容C1和电位器RP的值决定，即f=1／(2．2RC)。其中，R为RP的阻值，C为C1的电容值。电路中R3是保护GA的输入电阻，为了在更换成其他类元件时频率与占空比不改变，R3的值要足够大于RP的值。若采用两个二级管VD1和VD2及RP2和RP3替代RP，就可以分别调整C1的放电时间，调整RP2与RP3可以调整频率与占空比。反相器GC用于激励晶体管VT1，减少对振荡电路的影响，GD也是同样的目的，晶体管VT1用于驱动LED，电阻R1是LED的限流电阻，同时也起到去耦作用。

2．2 低噪声前置放大电路
    研究表明，对光传感器前置放大电路的具体要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力、良好的线性和抗干扰能力、结构紧凑、靠近光电敏感器件并具有良好的接地和屏蔽。
    低噪声前置放大器通常设置在光传感器与光电敏感器件的输出端和主放大器之间，它的任务是放大光电敏感器件所输出的微弱信号，并匹配后续调整电路与光电敏感器件之间的阻抗。
    设计前置放大器电路：
    (1)首先要考虑的几个问题是：应满足放大电路的高信噪比和信号源阻抗与放大器之间的噪声匹配(信号源阻抗等于最佳源阻抗)；要考虑电路组态、形式等，以满足增益、频响、输入／输出阻抗等方面的要求；要采取一定的方法来减少噪声，采取屏蔽以及接地措施来避免信号干扰。
    (2)为了满足低噪声放大器对噪声匹配的要求，应选择合适的放大器件，也就是源电阻。试验表明，源电阻在100 Ω～1 MΩ之间选用晶体管，源电阻在1 kΩ～1 MΩ之间可选用运放，源电阻在1 kΩ～1 GΩ之间多采用结型场效应管，源电阻超过1 MΩ也可选用MOSFET。一般红外光电管的输出电阻为20 kΩ，因此，选用晶体管、运算放大器、结构场效应管均可。相比较而言，运算放大器特别是CMOS型集成运放具有输入阻抗高、失调电压和温度漂移较小、共模抑制比高、动态范围较宽、对温度变化和电源变化及其他外界干扰具有较强的抑制能力，因此适用放大微弱信号，同时采用运算放大器也可使电路设计简化，组装调试方便，功耗低，体积小，可靠性增加。
    (3)为了获得低噪声特性，放大电路中的其他器件也要考虑低噪声。这里，电阻可选用金属膜电阻，电容可选用钽电容或瓷介电容，而信号输入线则采用尽可能短的镀银屏蔽电缆，电路板使用漏电流小的高绝缘电路板。

3 一种实用的高性能光传感器放大电路
    图2所示是一种基于运算放大器设计的三级级联光传感器放大电路。设计中要注意，对独立设置的单级运算放大器其增益取决于反馈电阻Rf和输人电阻Ri的比值，反相放大器的输入阻抗等于Ri，而外接电容Cf是补偿电容，目的是防止自激。联合设计时每级放大电路各有侧重。这里，前置放大电路的放大器件采用低噪声双极型运算放大器NE5534A，并设计为负反馈放大电路，其特点是电容耦合反相放大，但增益固定不变。

    NE5534A是一种高速、低噪声运算放大器，它的等效输入噪声电压较小，其典型值为3．5 nV／Hz，单位增益带宽为10 MHz，典型共模抑制比为100 dB，电源电压范围为-3～-20 V，+3～+20 V，具有0．02％的增益偏差，消耗电流8 mV，具有良好的动态特性。根据理想运算放大器的特点和“虚短”、“虚断”的概念，可知运放两输入端电压相等，即：U+=U-，又Uin=U+，由此可得流过电阻R2的电流为IR2=U-／R2=U+ ／U2=Uin／R2，IR2=IRJ。
    运算放大器的输出为：
   

    因一级放大倍数为8位，选择电阻RJ=10R2，由此可得运放输出为：
   

    第2级放大器A2根据输入电平在宽范围改变增益，经过2级放大器把光电晶体管VT的入射光电平放大到足够检测到的电平，再经过同步检波器与低通滤波器后加到A4比较器的同相输入端，与加在反相输入端通过RP2设定的电压进行比较，若超过RP2设定的电压，A4输出高电平，最后经2级反相器整形输出。

4 光传感器放大电路的改进
    近年来，数字电路呈主导应用，但是，信号的检出、测量等还是模拟信号，因此，必须对此类放大器进行深入研究。采用运算放大器设计的传感器放大电路其改进的措施主要有：
    (1)负反馈特性
    对于多级级联的放大器电路，为防止巴克豪森振荡，负反馈不可太深，同时引入相位补偿电容。
    (2)电源电压选用
    包含直流的低频放大电路，其输出电压通常在5～10 V，因此，如果要求较高的输出电平，运算放大器的直流电压应选择大于10 V以上，这样可以避免放大器输出峰值超过电源电压而形成电源的波动。同时，物联网的应用场合大部分是微弱信号，因此，必须充分考虑电源去耦，通常在直流电源进入运放之前加入100 Ω去耦电阻。
    (3)输入滤波器设计
    对于高精度mV级的DC放大器，其各种交流干扰都将成为放大器寄生信号的重要信号源，因此，必须在运算放大器的输入端加输入滤波器，通常由一个大电阻(4．7 kΩD和一个小电容(3．3μF)构成RC滤波，如图3所示。

5 结语
    物联网产业的兴起需要对多项技术进行进一步研究和改进及相互融合，为适应物联网的应用，传感器放大电路需要研究和改进的方面还有很多。本文给出的放大器的设计理论和方法主要适用光传感器应用场合，以三级独立和关联设计为特点，通过驱动电路、阻抗设计、负反馈、滤波设计、电源低耗设计、整形输出等技术的引入，使放大器具有低噪声、灵敏度高、波动性好、低能耗、微型化、寿命长等特点。