一种光传感器高性能放大电路的设计研究

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。