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院：物理与电子工程学院专业：自动化班级：13级7班学号：13006220730姓名：梁检满指导教师：秦怡日期：2013年12月31日过程检测技术及仪表论文I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，光电转换过程检测技术及仪表论文I目录摘要.................................................................................................................................I引言................................................................................................................................11光电检测电路模块....................................................................................................22前置放大电路设计....................................................................................................32.1T型网络前置放大电路..................................................................................32.2差分式前置放大电路...................................................................................42.3改进型差动输入前置放大电路.....................................................................43双运放前置放大电路的设计..................................................................................74微变光信号检测前置放大电路的设计与分析......................................................84.1微变光信号检测前置放大电路的设计之一.................................................84.2微变光信号检测前置放大电路的设计之二.................................................84.3微变光信号检测前置放大电路的设计之三...............................................95根据电阻划分的前置放大电路的设计..................................................................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.....................................................................................12参考文献......................................................................................................................14过程检测技术及仪表论文1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。过程检测技术及仪表论文21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。过程检测技术及仪表论文32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。2.1T型网络前置放大电路在理想状态下电路放大率为当时，运算放大器开环增益A1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。过程检测技术及仪表论文4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0.1~0.22μF。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]：过程检测技术及仪表论文5当时，当电阻不匹配时会产生不匹配误差。设电阻不匹配误差为，则当电阻误差为±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1MΩ~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，适于源电阻过程检测技术及仪表论文6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，Δf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0.2~1μV/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。过程检测技术及仪表论文73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