光導(dǎo)型紅外傳感器低噪聲前置放大器的設(shè)計
引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，各類傳感器得到了廣泛的應(yīng)用?？墒褂脗鞲衅鲗⒏黝愇锢砹?如溫度、壓力、光等)轉(zhuǎn)換為電壓、電流參數(shù)，經(jīng)線性化處理后上傳到網(wǎng)絡(luò)，匯總物聯(lián)網(wǎng)中心進行遠程的分析、控制，實現(xiàn)資源共享。但由于要檢測的物理量變化較弱，加之傳感器的響應(yīng)率有限，輸出的轉(zhuǎn)換信號較低。若與傳感器連接的前置放大器設(shè)計不當(dāng)，就會使信號淹沒在“噪聲”中而無法使用。因此，設(shè)計時對傳感器前置放大器提出了低噪聲的設(shè)計要求。
1電子線路中的噪聲
1.1噪聲定義
電子線路中的噪聲分為兩大類，外部電磁干擾和電子信息系統(tǒng)內(nèi)部電子元器件及材料物理學(xué)產(chǎn)生的自然擾動。外部干擾噪聲可以采用屏蔽的方法進行處理，而系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲只能通過電子線路設(shè)計的優(yōu)化進行控制，無法根除。
1.2噪聲分類
電子線路的噪聲按其產(chǎn)生的機理和特點可分為熱噪聲、1f噪聲、散彈噪聲和產(chǎn)生復(fù)合噪聲等。其中，熱噪聲是普遍存在的，只要具有阻值的電子元器件的工作溫度高于絕對溫度零度時，均可產(chǎn)生熱噪聲。熱噪聲的大小可用下式表示：
其中：為波爾茲曼常數(shù)，其值為：1.38X10-23J/K；為導(dǎo)體的絕對溫度，單位為K；亳為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬，單位為Hz。本文的其他噪聲不在此一一論述。
1.3噪聲的疊加
由于噪聲是隨機發(fā)生的，在時域中，在一定的頻率范圍內(nèi),每一單一頻率噪聲出現(xiàn)的概率是相同且不相干的。其中熱噪聲
的功率譜密度表達式為:
因此，按照統(tǒng)計學(xué)理論，不相干噪聲源的疊加，是按照能量進行疊加的。
2光導(dǎo)型紅外傳感器低噪聲電子線路設(shè)計
低噪聲電子線路的設(shè)計在20世紀(jì)70年代以前就已經(jīng)形成了完整的理論體系，尤其是在光電傳感器低噪聲前置放大器中的應(yīng)用極為廣泛。下面將以紅外光導(dǎo)型銻化銦傳感器前置放大器為例，論述采用加法器提高信噪比的噪聲處理方法。
2.1光導(dǎo)型紅外傳感器信號提取機理
圖1所示是光導(dǎo)型紅外傳感器信號的提取方法示意圖。
圖1光導(dǎo)型紅外傳感器信號提取
圖1中,E為電源電壓，Rl為偏置電阻,Rs為光導(dǎo)型紅外傳感器。光導(dǎo)型紅外傳感器相當(dāng)于一個光敏電阻，工作時需加偏壓。當(dāng)光照射在傳感器上時，其阻值隨光強增大而下降,從而使流過電路的電流發(fā)生變化，產(chǎn)生的信號通過耦合電容輸出。傳感器受光前』點的電壓為：
當(dāng)傳感器接收到紅外光時，其阻值變化量為ΔRS，A點電壓變?yōu)椋?
紅外傳感器產(chǎn)生的光電信號為：
將式（4）、式代入式（6），整理后得：
對（7）式求導(dǎo)得：
由此可知，當(dāng)偏置電阻的阻值與探測器的阻值相等時，可取得最大信號值。
2.2前置放大器的等效輸入噪聲
前置放大器的等效輸入噪聲涵蓋了探測器、偏置回路電子元器件的噪聲及附加噪聲。前置放大器的噪聲等效電路如圖2所示。
該電路的等效輸入噪聲電流為：
式中，Ins為傳感器噪聲電流，InL為偏置電阻噪聲電流，Iex為耦合電容噪聲電流，En為放大器等效噪聲電壓，In為放大器等效噪聲電流，ZP為等效輸入阻抗，ZP=RS//RL//（-jXC），其中噪聲電流貢獻較大的是偏置電阻產(chǎn)生的噪聲電流InL，因其與電阻成反比，在實際應(yīng)用中希望RL取較大的值。但是由式（7）和式（8）可知，RL與RS偏差越大，取得的光電信號越小。經(jīng)試驗測定，RL等于3~5倍的RS時，所取得的信噪比最大。
在通過前級的偏置匹配取得最佳信噪比后，我們要做的工作是進一步抑制噪聲，提高信噪比。具體電路如圖3所示。
將多路前置放大器并聯(lián)輸入加法器。由式(3)可知，噪聲是按能量進行疊加的。而按照加法器的工作原理，信號是按電壓進行疊加的，故有:
而單位時間內(nèi)的噪聲能量(噪聲功率)的疊加為：
加法器和前級放大器選用器件相同，故可認為R1和R相等，同時前級各放大器的輸岀噪聲相等，則有：
經(jīng)過加法器處理后，相位相同的信號增加了三倍，按能量疊加的噪聲增加了西倍，因此信噪比增加了西倍。
若釆用n組放大器并聯(lián)輸入加法器，信噪比可提高而倍。但是，并聯(lián)輸入時，輸入阻抗降低了n倍，這會影響前級的阻抗匹配，故不能無限制多級并聯(lián)。要綜合考慮。放大器的主要性能指標(biāo)如表1所列。
3結(jié)語
該前置放大器的設(shè)計充分利用了同相位信號與噪聲物理特性的差別，因而有效地抑制了噪聲，提高了信噪比。線路簡單實用，有利于微弱光電信號的檢測。故可廣泛應(yīng)用于大氣污染檢測、水污染監(jiān)控、溫度檢測控制、礦井有害氣體的監(jiān)控,為物聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用提供了支撐。
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