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前置放大器在微弱信号检测中的应用进展


前置放大器在微弱信号检测中的应用进展

学 专 班 学 姓

院:物理与电子工程学院 业:自动化 级:13 级 7 班 号:13006220730 名:梁检满 怡 年 12 月 31 日

指导教师:秦 日

期 : 2013

过程检测技术及仪表论文

摘要


光电检测系统中光电器件紧密连接一个低噪声前置放大器,它的任务是:放 大光电探测器件所输出的微弱电信号;匹配后置处理电路与探测器件之间的阻 抗。对前置放大器的要求是:低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和 负载能力, 以及良好的线性和抗干扰能力。针对不同类型的光电检测系统的相应 的前置放大电路的种类不同有T型网络前置放大电路、差分式前置放大电路、双 运放前置放大电路、高阻型前置放大电路,低阻型前置放大电路等等。

关键词:前置放大电路,微弱光信号检测,光电转换

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目录
摘要................................................................................................................................. I 引言................................................................................................................................ 1 1 光电检测电路模块.................................................................................................... 2 2 前置放大电路设计.................................................................................................... 3 2.1 T 型网络前置放大电路.................................................................................. 3 2.2 差分式前置放大电路................................................................................... 4

2.3 改进型差动输入前置放大电路..................................................................... 4 3 双运放前置放大电路的设计.................................................................................. 7 4 微变光信号检测前置放大电路的设计与分析...................................................... 8 4.1 微变光信号检测前置放大电路的设计之一................................................. 8 4.2 微变光信号检测前置放大电路的设计之二................................................. 8 4.3 微变光信号检测前置放大电路的设计之三............................................... 9

5 根据电阻划分的前置放大电路的设计.................................................................. 11 5.1 低阻型前置放大器....................................................................................... 11 5.2 高阻型前置放大器....................................................................................... 11 5.3 跨阻型前置放大器..................................................................................... 12

参考文献...................................................................................................................... 14

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引言
微弱信号的检测和处理技术主要运用迅速发展起来的电子学、信息论以及 物理方法等加以分析噪声,对信号进行检测、采集有用信号。微弱信号不仅信号 本身的幅度较小, 而且往往都是淹没在背景噪声之中。而其中的光电检测技术是 光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。 它主要利用电子技术对光学信 号进行检测, 并进一步传递、储存、控制、计算和显示 [。光电检测技术从原理 上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。 它可通过光学系统把待检测 的非电量信息变换成为便于接受的光学信息, 然后用光电探测器件将光学信息 量变换成电量, 并进一步经过电路放大、处理, 以达到电信号输出的目的。由于 光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱而且光探测器输出的信号往往被深 埋在噪声之中的特点, 要对这样的微弱信号进行处理, 一般都要先进行预处理,

以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这 样, 就需要通过前置放大电路、 滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤 除掉大部分噪声的待检测信号。

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1 光电检测电路模块

上图为光电检测电路模块示意图 前置放大电路位于光电转换器后级放大电路之间对整个光电检测系统性能 的影响很大, 为得到有用的信号设计低噪声,高精度的前置放大电路就变得非常 重要。

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2 前置放大电路设计
一般的前置放大电路

有上图可得如下关系

可见输出电压Vo呈线性比例关系,其比例系数为Rf/R1改变Rf可方便的改变前 置放大电路的斜率。但是要保证其线性变换精度,必须要求rso很大,否则会产生 变换误差。 光信号的灵敏度与所接的反馈电阻Rf有关, 灵敏度越高反馈电阻越大, 对电阻、 量程转换开关的绝缘要求就越高, 稳定性就越难保证。 而反馈电阻增大, 会带来电阻的热噪声电流,这在实验中是难于接受的。

2.1 T型网络前置放大电路

在理想状态下电路放大率为



时,运算放大器开环增益A>>1时

可见放大器增益仅与外部T型电阻网络有关,选用不同网络电阻比值得到电 阻比值精度较高、稳定性较好,闭环增益精度和稳定性也会提高,由于反馈电阻 扩展了(1+Rx/R2)倍, 既减少了热噪声影响, 又减少了对运放输入偏置电流的影响。
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但是,单通道输入的情况下,当输入为不稳定误差信号时,输出端必然也为不稳 定误差信号,这使得电路的稳定性很难保证。必须想办法克服这个缺点。

2.2 差分式前置放大电路
在所挑选的两个光电器件的特性参数尽量一致的情况下, 差分式光电检测电 路不但能减小暗电流的影响,也能减小温度变化引起的测量误差;另外,由于检 测光路与参考光路为一个光源, 光源的漂移和波动不会对检测结果带来太大的误 差。

计算可得:

电容C为超前校正电容,用于防止运放发生自激,同时还可以减少输直流电 平的纹波,其值一般为0.1~0.22μ F。由于此电路对电阻匹配要求较高,在电阻 不匹配的情况下,会引入不要的动态误差。

2.3 改进型差动输入前置放大电路
由上述三种前置放大电路比较分析, 我们综合各种电路优点设计出了一种双 运放前置放大电路。 双运放差动输入前置放大电路的使用效果,结构、性能等都优越于面所提的 单运放前置放大电路[6]。并且通过对反馈电阻的扩展,减小电阻所带来的热噪声 电流。 输入端采用的双通道差分式输入,使得输入号中的不稳定误差信号通过差 值抵消掉,增强了系的稳定性。

经计算可得[7]:
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时,

当电阻不匹配时会产生不匹配误差。 设电阻不匹配误差为,



当电阻误差为±5%时,可得: 电阻不匹配误差: 最大动态误差: 最大相对动态误差:

动态共模抑制比: 电路特点: (1)电路可获得较高的增益,却不会使电阻热噪声有所增加,减少了运放 对偏置电流的影响。 (2) 电阻不匹配产生的误差只与V(—)和Vr有关,而与V(+)无关, 而且对动态误 差的影响并不十分大。 (3)运放的输入失调电压也会导致误差,并且它是与放大倍数有关的,这 种误差仍然属于静态误差,通过调节Vr就可以抵消掉。 (4)电路只需使用两个运放单元,而且电路十分简单,但它却可以实现V(+) 和V(-)高阻差动输入、可调放大倍数,还附带一个基准电压或偏置输入Vr,这些为 电路的构成、调节以及输出偏置、静态误差补偿等提供了极大的方便。 有源器件的选取: 对于信号源电阻较小的情况(如热电偶、光电池等) ,一般选用晶体管构成 低噪声前置放大器,因为晶体管的电流噪声 In 较大,具有较小的最佳源电阻 (100Ω ~10MΩ ) 。对于源电阻较大酌情况(如热电阻) ,则多采用场效应管,因 为它有较小的电流噪声 In和较大的最佳源电阻(1KΩ ~10MΩ ) 。运算放大器有和 晶 体 管 大 致 相 同 的 最 佳 源 电 阻 值 , 而 CMOS 场 效 应 管 的 最 佳 源 电 阻 可 达 1M Ω ~10GΩ 。 有源器件的最佳源电阻只Rsopt是频率的函数,上述给出的器件最佳源电阻范 围是指较低频率时的情况,随着频率的升高,场效应管的Rsopt迅速减小,一般在 几十兆赫兹时, 结型场效应管的最佳源电阻仅几千欧,所以也仅适于源电阻较小 的情况。PNP晶体管,基极电阻小,电压噪声小,最佳源电阻较小,适于源电阻
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较小的情况,而NPN晶体管Rsopt较大,因此适于源电阻较大的情况。 无源器件的选取: 组装低噪声放大器除了放大管自身噪声低以外,还需要电阻、电容的噪声也 很低,因电阻自身都存在固有的热噪声,热噪声电压的均方值为: 式中r为玻耳兹曼常数(1.38 ×10-23J /K) ;R为电阻阻值,T为电阻的绝对 温度,Δ f为测量系统的通频带宽度。除此以外,电阻还产生与电阻品质有关的 电流噪声(也称过剩噪声)。电流噪声的均方电压为

K是与材料工艺有关的常数;idc是流过电阻的直流电流;f是频率;R是电阻 阻值。这种噪声有与频率成反比,与所加直流电流idc平方成正比的特性。这种噪 声的大小与生产过程有密切关系。低噪声电路中,一般都选用金属膜电阻器和绕 线电阻器,而不使用碳质与碳膜电阻,因为碳质或碳膜电阻的噪声指数(电阻两 端每伏直流压降在10倍频程内产生的均方根噪声微伏值) 一般为十几到几十微伏 /伏以上,而金属膜电阻器则可做到小于0.2~1μ V /V左右[8]。电容器的选择,主 要是选用损耗角小的云母电容和瓷介电容来降低噪声,在大容量的电容中,则选 用漏电流很小的钽电解电容。耦合变压器的构成,主要考虑在外加磁场作用下, 由于磁化的不连续性而表现出的磁起伏噪声和外界干扰引入的噪声, 因此要有好 的磁屏蔽和静电屏蔽。 采用晶体管或结型场效应管组成的低噪声集成运算放大器 其体积小、使用方便。在噪声要求不很高的情况下,用它组装的前置放大器是方 便易得的。

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双运放前置放大电路的设计

光电探测器前级放大电路的设计通常从两方面着手: 一是设计合适的电路形 式;二是选择合适的运放。前置放大电路可采用两个运放来组成复合放大电路, 下图,所示是其电路图,它由一个内反馈电路与外反馈电路组成,具有降低噪声 带宽而不影响信号频带的特点。

在外反馈电路基础上附加的内反馈电路,可用R3、R4、C3来控制U2A的增益 响应特性。在直流情况下,该反馈可由C3断开,此时放大器的开环增益是两个放 大器开环增益的乘积。合理地设置R4/R3的比值具有减小噪声带宽的功效。上图 中, R2是为了补偿因R1过大所造成的直流误差,R2上的并联电容C2用于去除它上 面的杂散噪声。 外反馈电阻R1上并联的电容C1为消振电容,其作用是减小电路的 通频带。选择放大器时,除了考虑选用低噪声和低漂移的运放外,还要选用高输 入阻抗和低偏流的运放。 本设计选择AD795KN作为前置放大器,AD795KN的主要性 能如下: ◇失调电压为25℃,最大为250μ V(K级); ◇失调电压漂移最大为3 V/℃(K级); ◇输入偏置电流在25℃时,最大为1 pA(K级); ◇0.1-10 Hz电压噪声为2.5 uVp-p; ◇1/f转折频率为12 Hz; ◇电压噪声在100 Hz处为10 nV/Hz1/2; ◇电流噪声在100 Hz处为0.6fA/Hz1/2; ◇在±15 V时的功耗为40 mW ◇增益带宽乘积为1 MHz;

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微变光信号检测前置放大电路的设计与分析

4.1 微变光信号检测前置放大电路的设计之一
微变光信号检测前置放大电路如下图所示。 光电二极管一般有两种模式工 作:零偏置工作和反偏置工作。 针对光信号是微变特点,选用光电二极管光伏工作 模式,此时光电二极管暗电流近似为零,二极管噪声基本上是分路电阻的热噪声, 线性好,被放大的信号只与入射光强成正比。光电二极管将接收的光信号转换为 电流信号, 通过选取合适的电阻R1、 R2将入射光电流信号转换为较大的电压信号, 作为后续电压跟随器的输入信号。电路中引入R3、R4电阻来提高输入阻抗,降低 对光电二极管的影响。电压跟随器的输出信号经过差分放大电路进一步放大,以 便驱动后续电路进行工作。电路采取对称结构, R1和R2、R3和R4、R5和R6、R7 和R8选用相同阻值,使得电路的漂移和失调互相抵消,提高探测精确度[10]。

上图为为相应的前置放大电路图

4.2 微变光信号检测前置放大电路的设计之二
光电转换及放大电路输出的信号只有mV量级,因此需要工作稳定的低噪声前 置放大电路将信号进一步放大,以便与后续的控制和运算系统对接。由于对数比 率放大电路相对于线性放大电路具有控制简单、动态范围大和线性度好的优点, 且对数放大电路能够实现数据压缩的功能,方便与A/D转换器连接,采用对数比率 放大电路作为前置放大电路,如下图所示,

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为了克服温度的影响,电路中采用了2只对称匹配的晶体三极管来消除晶体 管集电极电流的温度漂移。同时,由于u0还与UT(温度电压当量,约为26mV)有关, 而UT受温度影响较大,本实验中利用具有正温度系数的电阻R5来补偿UT的温度影 响。IC1和IC2均采用低噪声高精度集成运放OP07[6],CF1和CF2用于相位补偿,保证 闭 环 工 作 的 稳 定 性 由 图 知 , u=[(R3+R4+R5)/R5]UTln[(R2u1)/(R1u2)] , 取 R1=R2 则 u0=[(R3+R4+R5)/R5]UTln(u1/u2)将光电转换电路的输出接在前置放大电路的u1端调 整u2的值便可得到不同的增益

4.3

微变光信号检测前置放大电路的设计之三
PIN光伏探测器的输出电流很小易受干扰及噪声的影响, 需要设计良好的低

噪声前置放大电路对弱电流进行放大,以驱动后级电路工作。

上图是光电转换前置放大电路。 图中外反馈为工作于短路方式下的基本放大 电路。 这种外反馈电路可使探测器对输入的光功率具有高的分辨率和大的测量范 围,并能减小电路噪声。其电压输出为


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式中fh=1/(2π RC)R1为反馈电阻f为信号频率在信号频率f<<fh偏信号频率 范围内,故

因为PIN工作于短路方式,此电路大大降低,PN结正向电流(即暗电流)带 来的影响并使光电二极管得最佳的信噪比,被放大的信号只与光强成正比。上图 中虚框1内是在基本反馈电路基础上附加的内反馈电路,可用R3,R4控制A2增益 响应特性。在直流情况下,该反馈由C2断开,此时放大器的开环增益是两个放大 器开环增益的乘积。 合理的设置R4/R3的比值有减小噪声带宽的功效。图中R2是为 了补尝因R1过大所造成的直流误差,R2上的并联电容Cp用以去除它上面的杂散噪 声。图中外反馈电阻上并联的电容 C: 为消振电容图中反馈电路上并联的电容 C1 为消阵电容(因二极管的结电容较大),C1的加入减小噪声带宽。C1值的确定,要 根据信号频率的要求来计算fc(-3dB)=1/(2π R1C1)

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5 根据电阻划分的前置放大电路的设计
在给定的光电器件和电路结构条件下,前置放大器第一级输入电容的数值 基本上是固定的,因此在依照系统要求,选择适当电路时,前置放大器第一级输入 电阻和偏置电阻的大小是考虑的主要对象。 前置放大器第一级一般采用场效应晶 体管(FET)或双极型晶体管(BJT)。不论选用场效应晶体管还是双极型晶体管,前 置放大器的噪声中都含有并联源电阻Rs=Rf//Rin产生的热噪声。因此,为了减小 前置放大器的噪声,应该使光电检测器的偏置电阻Rb及放大器的输入电阻Rf越大 越好。但是,输入电阻加大,势必要使输人端的时间常数RC加大,从而导致放大器 的高频特性变坏,使带宽变窄。因此,应该根据系统的具体要求,适当地选择前置 放大器的电路形式,使之能够兼顾噪声和带宽两方面要求。前置放大器的电路类 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
低输入阻抗前置放大器(如图1.4所示)采用变压器耦合、 晶体管共基极电路、 并联负反馈及多个晶体管并联等作为放大器的输入级。 光探测器直接与放大器连 接,具有宽带和动态范围大等优点,但因放大器的等效输入阻抗低,使载噪比受到 影响。低输入阻抗前置放大器如下图:

5.2 高阻型前置放大器
如图所示,对于阻抗特别高的光电探测器,必须采用场效应管作为第一级 输入电路。由于放大器的等效输入阻抗高,具有载噪比高,灵敏度高等优点,但其 宽带和动态范围受到影响,需要附加均衡电路以改善频率响应。高阻型前置放大 器如下图:

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5.3

跨阻型前置放大器
对于具有恒流源特性的光电探测器,采用高阻负载将有利于获得大的信号电

压,故希望采用高阻放大器。但高负载电阻与探测器分布电容和放大器输入电容 将增加RC时间常量,影响系统的高频响应,并使其动态范围减小,通常采用跨阻放 大器或并联反馈放大器克服这一缺点,它是光纤系统中常采用的前级放大电路。 这种连接方式具有载噪比高,灵敏度高和频带较宽等优点,但放大器设计较复杂, 且负反馈阻值限制了放大器的增益。跨阻放大器的结构框图可以用下图表示。由 基本放大器和一个跨接在输入输出端之间的电阻构成。这种放大器利用电阻Rf 提供电压并联负反馈,减小了放大器的输入阻抗,增加了带宽。 跨阻型前置放大器 如下图

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6 综合分析
由于各种连接方式的都各自有其优缺点,因此,在选择光探测器与前置放大 器的连接方式时,要视具体应用要求而定。光电探测系统中,探测器输出的电信 号通常很微弱, 一般为μ V数量级,只有经过充分放大和处理后才能记录下来。因 此前置放大的设计是整个信号处理电路的一个重要环节。 检测系统前级放大器的 设计对整个系统性能起决定性作用。 在微弱信号探测研究中不仅要进行后级放大 和滤波环节的设计与改善, 而且前级信号的精确设计也非常重要。因为在后级电 路中,常常有上百倍甚至千倍的放大设计, 在放大信号的同时,也放大了噪声[4]。 因此, 光电探测器的前级放大设计通常从两方面着手:一是选择合适的器件;二是 设计合适的电路形式。 针对光功率为10nW-100nW的直流弱信号检测,分析各项参 数,设计了实际检测电路。这里,我们选择PIN光电二极管,对于直流低频弱信号 进行精密测量,选择采用暗电流小,线性度好的零偏置光电压模式。 前置放大电路 采用了跨阻连接方式,跨接了一个100kΩ 的反馈电阻。 对于反馈电阻的选取,不宜 过大,过大,电路稳定性变差,易造成干扰,测量时间变长。并接10pF的反馈电容, 抑制,平滑噪声干扰。 并采用T型负反馈电阻网络的前置I/V转换放大电路,不仅可 减小切换稳定时间,加快衰减,而且保证了测量放大倍数,达到了测量准确度的要 求。

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参考文献
[1]宋丰华,现代光电器件技术及应用[M], 北京: 国防工业出版社, 2004。 [2] 马声全, 陈贻汉,光电子理论与技术[M]。 北京: 电子工业出版社, 2005。 [3] 张伦, 冯新强, 吴常津,传感器与信号调理器件应用技术[M]。北京: 科 学出版社, 2002。 [4]李远明,陈文涛,电子元器件应用[J],微弱光信号前置放大电路设 计,2007(8)。 [5]孙丽飞,王增林,田小建.AD7714在光电检测系统中的应用,仪器仪表用 户,2004,11(4):52-53. [6]张小刚,李明,韩炬,双运放仪表放大器电路及分析,煤炭科学研究总院太 原分院,2005。 [7]王丽婷,光电检测电路的设计及实验研究,硕士学位论文,2007。 [8]Liu Tiegen,Zhang Fan,Zha Ying,Optoelectronic Technology&Information,2004,17(3):37。 [9]杜习光,微弱光信号检测电路的设计,电子元器件应用[J]2010(12) [10]肖雪芳, 雷国伟, 微变光信号检测前置放大电路设计,厦门理工大学学报, 2009(17) 。

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