- 實用高性能光傳感器放大電路的設計研究
- 利用光傳感器的驅動電路
- 運用低噪聲前置放大電路
- 采用一種實用的高性能光傳感器放大電路
引言
傳感網具有部署靈活、方便擴展等特點，可用于事件檢測、目標定位、跟蹤識別、信息傳輸和智能處理。
傳感器是傳感網概念中最基礎和最廣泛的技術支撐之一。傳感器又有電子和光學之分，其應用上有測力、稱重、測溫等方式。隨著激光和光纖技術的進一步應用，近幾年來，光傳感器得到了快速發展。光傳感器具有靈敏度高，不受電磁干擾，應用簡單，性價比高等特點，在各種領域得到廣泛應用。如各類家電搖控器，光電測量系統，光纖傳感領域，全光網絡等。
根據物聯網對傳感器技術的要求，研究其信號的放大與傳輸技術是目前傳感網的研究熱點之一。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鍵技術之一。本文主要針對光傳感器的放大電路進行研究，深入了解光傳感信號的特點及對光傳感器的性能要求，掌握特定放大電路的設計理論和設計方法，特別是運用新器件的能力及電路改進的措施。依據目前放大器件及電路設計理論與實踐，設計出實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狀和特點
隨著物聯網概念的提出和應用，對光傳感器提出了更高要求，如在特殊環境下的使用，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定性和長壽命，故障率低，更大的輸出功率和抗干擾能力強等特點。
由于光傳感器在一些應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烈，如陽光下或聚光燈下等。因此，放大器應具有很強的適應性和更好的動態調節能力。雖然目前放大器的種類很多，但符合現代物聯網要求的高性能光傳感放大器還處于完善和改進階段，有待進一步研究和解決的技術問題還有不少，如穩定性問題，高增益需求，較大動態范圍，低噪聲特性，較高輸出電平，較強抗干擾能力等。
2 光傳感器放大電路設計研究
2.1 光傳感器的驅動電路
[page]
圖1是紅外線驅動電路，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，需對反相器電路產生的脈沖輸出進行脈沖調制，反相器中的GA和GB構成振蕩電路，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GA的輸入電阻，為了在更換成其他類元件時頻率與占空比不改變，R3的值要足夠大于Rp的值。若采用兩個二級管VD1和VD2及Rp2和Rp3替代Rp，就可以分別調整C1的放電時間，調整Rp2與Rp3可以調整頻率與占空比。反相器Gc用于激勵晶體管VT1，減少對振蕩電路的影響，GD也是同樣的目的，晶體管VT1用于驅動LED，電阻R1是LED的限流電阻，同時也起到去耦作用。
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載能力、良好的線性和抗干擾能力、結構緊湊、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，它的任務是放大光電敏感器件所輸出的微弱信號，并匹配后續調整電路與光電敏感器件之間的阻抗。
設計前置放大器電路：
（1）首先要考慮的幾個問題是：應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、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，應選擇合適的放大器件，也就是源電阻。試驗表明，源電阻在100 Q～ 1 MQ 之間選用晶體管，源電阻在1 ka～1 MQ之間可選用運放，源電阻在1 kQ～1 GQ之間多采用結型場效應管，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、運算放大器、結構場效應管均可。相比較而言，運算放大器特別是CMOS型集成運放具有輸入阻抗高、失調電壓和溫度漂移較小、共模抑制比高、動態范圍較寬、對溫度變化和電源變化及其他外界干擾具有較強的抑制能力，因此適用放大微弱信號，同時采用運算放大器也可使電路設計簡化，組裝調試方便，功耗低，體積小，可靠性增加。
[page]
（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 一種實用的高性能光傳感器放大電路
圖2所示是一種基于運算放大器設計的三級級聯光傳感器放大電路。設計中要注意，對獨立設置的單級運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是補償電容，目的是防止自激。聯合設計時每級放大電路各有側重。這里，前置放大電路的放大器件采用低噪聲雙極型運算放大器NE5534A，并設計為負反饋放大電路，其特點是電容耦合反相放大，但增益固定不變。
運算放大器的輸出為：
[page]
4 光傳感器放大電路的改進
近年來，數字電路呈主導應用，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行深入研究。采用運算放大器設計的傳感器放大電路其改進的措施主要有：
（1）負反饋特性
對于多級級聯的放大器電路，為防止巴克豪森振蕩，負反饋不可太深，同時引入相位補償電容。
（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，運算放大器的直流電壓應選擇大于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，物聯網的應用場合大部分是微弱信號，因此，必須充分考慮電源去耦，通常在直流電源進入運放之前加入100 Ω去耦電阻。
（3）輸入濾波器設計
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，必須在運算放大器的輸入端加輸入濾波器，通常由一個大電阻（4.7 kΩ）和一個小電容（3.3μF）構成RC濾波，如圖3所示。
物聯網產業的興起需要對多項技術進行進一步研究和改進及相互融合，為適應物聯網的應用，傳感器放大電路需要研究和改進的方面還有很多。本文給出的放大器的設計理論和方法主要適用光傳感器應用場合，以三級獨立和關聯設計為特點，通過驅動電路、阻抗設計、負反饋、濾波設計、電源低耗設計、整形輸出等技術的引入，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。
