前置放大器在微弱信號檢測中的應(yīng)用進(jìn)展

1、前置放大器在微弱信號檢測中的應(yīng)用進(jìn)展學(xué) 院：物理與電子工程學(xué)院專 業(yè)：自動化班 級：13級7班學(xué) 號 名：梁檢滿指導(dǎo)教師：秦 怡日 期：2013年12月31日過程檢測技術(shù)及儀表論文摘要光電檢測系統(tǒng)中光電器件緊密連接一個低噪聲前置放大器，它的任務(wù)是:放大光電探測器件所輸出的微弱電信號；匹配后置處理電路與探測器件之間的阻抗。對前置放大器的要求是:低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。針對不同類型的光電檢測系統(tǒng)的相應(yīng)的前置放大電路的種類不同有T型網(wǎng)絡(luò)前置放大電路、差分式前置放大電路、雙運放前置放大電路、高阻型前置放大電路，低阻型前

2、置放大電路等等。關(guān)鍵詞：前置放大電路，微弱光信號檢測，光電轉(zhuǎn)換I目錄摘要I引言11 光電檢測電路模塊22 前置放大電路設(shè)計32.1 T型網(wǎng)絡(luò)前置放大電路32.2 差分式前置放大電路42.3 改進(jìn)型差動輸入前置放大電路43 雙運放前置放大電路的設(shè)計74 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計與分析84.1 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計之一84.2 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計之二84.3 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計之三95 根據(jù)電阻劃分的前置放大電路的設(shè)計115.1 低阻型前置放大器115.2 高阻型前置放大器115.3 跨阻型前置放大器12參考文獻(xiàn)14I引言 微弱信號的檢測和處理技術(shù)主

3、要運用迅速發(fā)展起來的電子學(xué)、信息論以及物理方法等加以分析噪聲，對信號進(jìn)行檢測、采集有用信號。微弱信號不僅信號本身的幅度較小，而且往往都是淹沒在背景噪聲之中。而其中的光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對光學(xué)信號進(jìn)行檢測, 并進(jìn)一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示。光電檢測技術(shù)從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息, 然后用光電探測器件將光學(xué)信息量變換成電量, 并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理, 以達(dá)到電信號輸出的目的。由于光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱而且光探測器輸出的信號往往被深

4、埋在噪聲之中的特點, 要對這樣的微弱信號進(jìn)行處理, 一般都要先進(jìn)行預(yù)處理, 以將大部分噪聲濾除掉,并將微弱信號放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣, 就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。141 光電檢測電路模塊上圖為光電檢測電路模塊示意圖前置放大電路位于光電轉(zhuǎn)換器后級放大電路之間對整個光電檢測系統(tǒng)性能的影響很大，為得到有用的信號設(shè)計低噪聲，高精度的前置放大電路就變得非常重要。2 前置放大電路設(shè)計一般的前置放大電路有上圖可得如下關(guān)系可見輸出電壓Vo呈線性比例關(guān)系，其比例系數(shù)為Rf/R1改變Rf可方便的改變前置放大電路的斜率。但是要保證其

5、線性變換精度，必須要求rso很大，否則會產(chǎn)生變換誤差。光信號的靈敏度與所接的反饋電阻Rf有關(guān)，靈敏度越高反饋電阻越大，對電阻、量程轉(zhuǎn)換開關(guān)的絕緣要求就越高，穩(wěn)定性就越難保證。而反饋電阻增大，會帶來電阻的熱噪聲電流，這在實驗中是難于接受的。2.1 T型網(wǎng)絡(luò)前置放大電路在理想狀態(tài)下電路放大率為當(dāng)時，運算放大器開環(huán)增益A1時可見放大器增益僅與外部T型電阻網(wǎng)絡(luò)有關(guān),選用不同網(wǎng)絡(luò)電阻比值得到電阻比值精度較高、穩(wěn)定性較好，閉環(huán)增益精度和穩(wěn)定性也會提高，由于反饋電阻擴(kuò)展了(1+Rx/R2)倍，既減少了熱噪聲影響，又減少了對運放輸入偏置電流的影響。但是，單通道輸入的情況下，當(dāng)輸入為不穩(wěn)定誤差信號時，輸出端必然

6、也為不穩(wěn)定誤差信號，這使得電路的穩(wěn)定性很難保證。必須想辦法克服這個缺點。2.2 差分式前置放大電路在所挑選的兩個光電器件的特性參數(shù)盡量一致的情況下，差分式光電檢測電路不但能減小暗電流的影響，也能減小溫度變化引起的測量誤差；另外，由于檢測光路與參考光路為一個光源，光源的漂移和波動不會對檢測結(jié)果帶來太大的誤差。計算可得：電容C為超前校正電容，用于防止運放發(fā)生自激，同時還可以減少輸直流電平的紋波，其值一般為0.10.22F。由于此電路對電阻匹配要求較高，在電阻不匹配的情況下，會引入不要的動態(tài)誤差。2.3 改進(jìn)型差動輸入前置放大電路由上述三種前置放大電路比較分析，我們綜合各種電路優(yōu)點設(shè)計出了一種雙運放

7、前置放大電路。雙運放差動輸入前置放大電路的使用效果，結(jié)構(gòu)、性能等都優(yōu)越于面所提的單運放前置放大電路6。并且通過對反饋電阻的擴(kuò)展，減小電阻所帶來的熱噪聲電流。輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入號中的不穩(wěn)定誤差信號通過差值抵消掉，增強了系的穩(wěn)定性。經(jīng)計算可得7：當(dāng)時，當(dāng)電阻不匹配時會產(chǎn)生不匹配誤差。設(shè)電阻不匹配誤差為，則當(dāng)電阻誤差為5%時，可得:電阻不匹配誤差: 最大動態(tài)誤差: 最大相對動態(tài)誤差：動態(tài)共模抑制比: 電路特點：（1）電路可獲得較高的增益，卻不會使電阻熱噪聲有所增加，減少了運放對偏置電流的影響。（2）電阻不匹配產(chǎn)生的誤差只與V（）和Vr有關(guān),而與V(+)無關(guān)，而且對動態(tài)誤差的影響并

8、不十分大。（3）運放的輸入失調(diào)電壓也會導(dǎo)致誤差，并且它是與放大倍數(shù)有關(guān)的，這種誤差仍然屬于靜態(tài)誤差，通過調(diào)節(jié)Vr就可以抵消掉。（4）電路只需使用兩個運放單元，而且電路十分簡單，但它卻可以實現(xiàn)V(+)和V(-)高阻差動輸入、可調(diào)放大倍數(shù)，還附帶一個基準(zhǔn)電壓或偏置輸入Vr，這些為電路的構(gòu)成、調(diào)節(jié)以及輸出偏置、靜態(tài)誤差補償?shù)忍峁┝藰O大的方便。有源器件的選?。簩τ谛盘栐措娮栎^小的情況（如熱電偶、光電池等），一般選用晶體管構(gòu)成低噪聲前置放大器，因為晶體管的電流噪聲In較大，具有較小的最佳源電阻（10010M）。對于源電阻較大酌情況（如熱電阻），則多采用場效應(yīng)管，因為它有較小的電流噪聲In和較大的最佳源電

9、阻（1K10M）。運算放大器有和晶體管大致相同的最佳源電阻值，而CMOS場效應(yīng)管的最佳源電阻可達(dá)1M 10G。有源器件的最佳源電阻只Rsopt是頻率的函數(shù)，上述給出的器件最佳源電阻范圍是指較低頻率時的情況，隨著頻率的升高，場效應(yīng)管的Rsopt迅速減小，一般在幾十兆赫茲時，結(jié)型場效應(yīng)管的最佳源電阻僅幾千歐，所以也僅適于源電阻較小的情況。PNP晶體管，基極電阻小，電壓噪聲小，最佳源電阻較小，適于源電阻較小的情況，而NPN晶體管Rsopt較大，因此適于源電阻較大的情況。無源器件的選取：組裝低噪聲放大器除了放大管自身噪聲低以外，還需要電阻、電容的噪聲也很低，因電阻自身都存在固有的熱噪聲，熱噪聲電壓的均

10、方值為：式中r為玻耳茲曼常數(shù)（1.38 10-23J /K）；R為電阻阻值，T為電阻的絕對溫度，f為測量系統(tǒng)的通頻帶寬度。除此以外，電阻還產(chǎn)生與電阻品質(zhì)有關(guān)的電流噪聲(也稱過剩噪聲)。電流噪聲的均方電壓為K是與材料工藝有關(guān)的常數(shù)；idc是流過電阻的直流電流；f是頻率；R是電阻阻值。這種噪聲有與頻率成反比，與所加直流電流idc平方成正比的特性。這種噪聲的大小與生產(chǎn)過程有密切關(guān)系。低噪聲電路中，一般都選用金屬膜電阻器和繞線電阻器，而不使用碳質(zhì)與碳膜電阻，因為碳質(zhì)或碳膜電阻的噪聲指數(shù)（電阻兩端每伏直流壓降在10倍頻程內(nèi)產(chǎn)生的均方根噪聲微伏值）一般為十幾到幾十微伏/伏以上，而金屬膜電阻器則可做到小于0

11、.21V /V左右8。電容器的選擇，主要是選用損耗角小的云母電容和瓷介電容來降低噪聲，在大容量的電容中，則選用漏電流很小的鉭電解電容。耦合變壓器的構(gòu)成，主要考慮在外加磁場作用下，由于磁化的不連續(xù)性而表現(xiàn)出的磁起伏噪聲和外界干擾引入的噪聲，因此要有好的磁屏蔽和靜電屏蔽。采用晶體管或結(jié)型場效應(yīng)管組成的低噪聲集成運算放大器其體積小、使用方便。在噪聲要求不很高的情況下，用它組裝的前置放大器是方便易得的。3 雙運放前置放大電路的設(shè)計光電探測器前級放大電路的設(shè)計通常從兩方面著手：一是設(shè)計合適的電路形式；二是選擇合適的運放。前置放大電路可采用兩個運放來組成復(fù)合放大電路，下圖,所示是其電路圖，它由一個內(nèi)反饋電

12、路與外反饋電路組成，具有降低噪聲帶寬而不影響信號頻帶的特點。在外反饋電路基礎(chǔ)上附加的內(nèi)反饋電路，可用R3、R4、C3來控制U2A的增益響應(yīng)特性。在直流情況下，該反饋可由C3斷開，此時放大器的開環(huán)增益是兩個放大器開環(huán)增益的乘積。合理地設(shè)置R4/R3的比值具有減小噪聲帶寬的功效。上圖中，R2是為了補償因R1過大所造成的直流誤差，R2上的并聯(lián)電容C2用于去除它上面的雜散噪聲。外反饋電阻R1上并聯(lián)的電容C1為消振電容，其作用是減小電路的通頻帶。選擇放大器時，除了考慮選用低噪聲和低漂移的運放外，還要選用高輸入阻抗和低偏流的運放。本設(shè)計選擇AD795KN作為前置放大器，AD795KN的主要性能如下：失調(diào)電

13、壓為25，最大為250V(K級)；失調(diào)電壓漂移最大為3 V/(K級)；輸入偏置電流在25時，最大為1 pA(K級)；0.1-10 Hz電壓噪聲為2.5 uVp-p；1/f轉(zhuǎn)折頻率為12 Hz；電壓噪聲在100 Hz處為10 nV/Hz1/2；電流噪聲在100 Hz處為0.6fA/Hz1/2；在15 V時的功耗為40 mW增益帶寬乘積為1 MHz；4 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計與分析4.1 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計之一 微變光信號檢測前置放大電路如下圖所示。光電二極管一般有兩種模式工作:零偏置工作和反偏置工作。針對光信號是微變特點,選用光電二極管光伏工作模式,此時光電二極管暗電流近

14、似為零,二極管噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲,線性好,被放大的信號只與入射光強成正比。光電二極管將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，通過選取合適的電阻R1、R2將入射光電流信號轉(zhuǎn)換為較大的電壓信號,作為后續(xù)電壓跟隨器的輸入信號。電路中引入R3、R4電阻來提高輸入阻抗,降低對光電二極管的影響。電壓跟隨器的輸出信號經(jīng)過差分放大電路進(jìn)一步放大,以便驅(qū)動后續(xù)電路進(jìn)行工作。電路采取對稱結(jié)構(gòu), R1和R2、R3和R4、R5和R6、R7和R8選用相同阻值,使得電路的漂移和失調(diào)互相抵消，提高探測精確度10。上圖為為相應(yīng)的前置放大電路圖4.2 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計之二光電轉(zhuǎn)換及放大電路輸出的信號只有mV量級

15、,因此需要工作穩(wěn)定的低噪聲前置放大電路將信號進(jìn)一步放大,以便與后續(xù)的控制和運算系統(tǒng)對接。由于對數(shù)比率放大電路相對于線性放大電路具有控制簡單、動態(tài)范圍大和線性度好的優(yōu)點,且對數(shù)放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的功能,方便與A/D轉(zhuǎn)換器連接,采用對數(shù)比率放大電路作為前置放大電路，如下圖所示，為了克服溫度的影響,電路中采用了2只對稱匹配的晶體三極管來消除晶體管集電極電流的溫度漂移。同時,由于u0還與UT(溫度電壓當(dāng)量,約為26mV)有關(guān),而UT受溫度影響較大,本實驗中利用具有正溫度系數(shù)的電阻R5來補償U(kuò)T的溫度影響。IC1和IC2均采用低噪聲高精度集成運放OP076,CF1和CF2用于相位補償,保證閉環(huán)工作

16、的穩(wěn)定性由圖知，u=(R3+R4+R5)/R5UTln(R2u1)/(R1u2)，取R1=R2則u0=(R3+R4+R5)/R5UTln（u1/u2)將光電轉(zhuǎn)換電路的輸出接在前置放大電路的u1端調(diào)整u2的值便可得到不同的增益4.3 微變光信號檢測前置放大電路的設(shè)計之三 PIN光伏探測器的輸出電流很小易受干擾及噪聲的影響，需要設(shè)計良好的低噪聲前置放大電路對弱電流進(jìn)行放大，以驅(qū)動后級電路工作。上圖是光電轉(zhuǎn)換前置放大電路。圖中外反饋為工作于短路方式下的基本放大電路。這種外反饋電路可使探測器對輸入的光功率具有高的分辨率和大的測量范圍，并能減小電路噪聲。其電壓輸出為，式中fh=1/（2RC）R1為反饋電

17、阻f為信號頻率在信號頻率ffh偏信號頻率范圍內(nèi)，故 因為PIN工作于短路方式，此電路大大降低，PN結(jié)正向電流（即暗電流）帶來的影響并使光電二極管得最佳的信噪比，被放大的信號只與光強成正比。上圖中虛框1內(nèi)是在基本反饋電路基礎(chǔ)上附加的內(nèi)反饋電路，可用R3，R4控制A2增益響應(yīng)特性。在直流情況下，該反饋由C2斷開，此時放大器的開環(huán)增益是兩個放大器開環(huán)增益的乘積。合理的設(shè)置R4/R3的比值有減小噪聲帶寬的功效。圖中R2是為了補嘗因R1過大所造成的直流誤差，R2上的并聯(lián)電容Cp用以去除它上面的雜散噪聲。圖中外反饋電阻上并聯(lián)的電容C:為消振電容圖中反饋電路上并聯(lián)的電容C1為消陣電容（因二極管的結(jié)電容較大)

18、，C1的加入減小噪聲帶寬。C1值的確定，要根據(jù)信號頻率的要求來計算fc（-3dB）=1/(2R1C1)5 根據(jù)電阻劃分的前置放大電路的設(shè)計 在給定的光電器件和電路結(jié)構(gòu)條件下,前置放大器第一級輸入電容的數(shù)值基本上是固定的,因此在依照系統(tǒng)要求,選擇適當(dāng)電路時,前置放大器第一級輸入電阻和偏置電阻的大小是考慮的主要對象。前置放大器第一級一般采用場效應(yīng)晶體管(FET)或雙極型晶體管(BJT)。不論選用場效應(yīng)晶體管還是雙極型晶體管,前置放大器的噪聲中都含有并聯(lián)源電阻Rs=Rf/Rin產(chǎn)生的熱噪聲。因此,為了減小前置放大器的噪聲,應(yīng)該使光電檢測器的偏置電阻Rb及放大器的輸入電阻Rf越大越好。但是,輸入電阻加

19、大,勢必要使輸人端的時間常數(shù)RC加大,從而導(dǎo)致放大器的高頻特性變壞,使帶寬變窄。因此,應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的具體要求,適當(dāng)?shù)剡x擇前置放大器的電路形式,使之能夠兼顧噪聲和帶寬兩方面要求。前置放大器的電路類型包括:低阻型前置放大器、高阻型前置放大器和跨阻型前置放大器。5.1 低阻型前置放大器低輸入阻抗前置放大器(如圖1.4所示)采用變壓器耦合、晶體管共基極電路、并聯(lián)負(fù)反饋及多個晶體管并聯(lián)等作為放大器的輸入級。光探測器直接與放大器連接,具有寬帶和動態(tài)范圍大等優(yōu)點,但因放大器的等效輸入阻抗低,使載噪比受到影響。低輸入阻抗前置放大器如下圖：5.2 高阻型前置放大器 如圖所示,對于阻抗特別高的光電探測器,必須采用

20、場效應(yīng)管作為第一級輸入電路。由于放大器的等效輸入阻抗高,具有載噪比高,靈敏度高等優(yōu)點,但其寬帶和動態(tài)范圍受到影響,需要附加均衡電路以改善頻率響應(yīng)。高阻型前置放大器如下圖：5.3 跨阻型前置放大器對于具有恒流源特性的光電探測器,采用高阻負(fù)載將有利于獲得大的信號電壓,故希望采用高阻放大器。但高負(fù)載電阻與探測器分布電容和放大器輸入電容將增加RC時間常量,影響系統(tǒng)的高頻響應(yīng),并使其動態(tài)范圍減小,通常采用跨阻放大器或并聯(lián)反饋放大器克服這一缺點,它是光纖系統(tǒng)中常采用的前級放大電路。這種連接方式具有載噪比高,靈敏度高和頻帶較寬等優(yōu)點,但放大器設(shè)計較復(fù)雜,且負(fù)反饋阻值限制了放大器的增益。跨阻放大器的結(jié)構(gòu)框圖可

21、以用下圖表示。由基本放大器和一個跨接在輸入輸出端之間的電阻構(gòu)成。這種放大器利用電阻Rf提供電壓并聯(lián)負(fù)反饋,減小了放大器的輸入阻抗,增加了帶寬?？缱栊颓爸梅糯笃魅缦聢D 6 綜合分析由于各種連接方式的都各自有其優(yōu)缺點,因此,在選擇光探測器與前置放大器的連接方式時，要視具體應(yīng)用要求而定。光電探測系統(tǒng)中，探測器輸出的電信號通常很微弱，一般為V數(shù)量級,只有經(jīng)過充分放大和處理后才能記錄下來。因此前置放大的設(shè)計是整個信號處理電路的一個重要環(huán)節(jié)。檢測系統(tǒng)前級放大器的設(shè)計對整個系統(tǒng)性能起決定性作用。在微弱信號探測研究中不僅要進(jìn)行后級放大和濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計與改善，而且前級信號的精確設(shè)計也非常重要。因為在后級電路中,常常有上百倍甚至千倍的放大設(shè)計，在放大信號的同時,也放大了噪聲4。因此，光電探測器的前級放大設(shè)計通常從兩方面著手:一是選擇合適的器件;二是設(shè)計合適的電路形式。針對光功率