中心議題：

• 實用高性能光傳感器放大電路的設計研究

解決方案：

• 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，可用於事件檢測、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ce溫wen等deng方fang式shi。隨sui著zhe激ji光guang和he光guang纖xian技ji術shu的de進jin一yi步bu應ying用yong

，近jin幾ji年nian來lai
，光guang傳chuan感gan器qi得de到dao了le快kuai速su發fa展zhan。光guang傳chuan感gan器qi具ju有you靈ling敏min度du高gao，不bu受shou電dian磁ci幹gan擾rao，應ying用yong簡jian單dan，性xing價jia比bi高gao等deng特te點dian，在zai各ge種zhong領ling域yu得de到dao廣guang泛fan應ying用yong。如ru各ge類lei家jia電dian搖yao控kong器qi
，光guang電dian測ce量liang係xi統tong
，光guang纖xian傳chuan感gan領ling域yu
，全quan光guang網wang絡luo等deng。

根(gen)據(ju)物(wu)聯(lian)網(wang)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)要(yao)求(qiu)
，研(yan)究(jiu)其(qi)信(xin)號(hao)的(de)放(fang)大(da)與(yu)傳(chuan)輸(shu)技(ji)術(shu)是(shi)目(mu)前(qian)傳(chuan)感(gan)網(wang)的(de)研(yan)究(jiu)熱(re)點(dian)之(zhi)一(yi)。如(ru)何(he)提(ti)高(gao)微(wei)弱(ruo)的(de)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)的(de)放(fang)大(da)性(xing)能(neng)和(he)傳(chuan)輸(shu)效(xiao)率(lv)，是(shi)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)需(xu)要(yao)解(jie)決(jue)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)。本(ben)文(wen)主(zhu)要(yao)針(zhen)對(dui)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)，深(shen)入(ru)了(le)解(jie)光(guang)傳(chuan)感(gan)信(xin)號(hao)的(de)特(te)點(dian)及(ji)對(dui)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)
，掌(zhang)握(wo)特(te)定(ding)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)理(li)論(lun)和(he)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)，特(te)別(bie)是(shi)運(yun)用(yong)新(xin)器(qi)件(jian)的(de)能(neng)力(li)及(ji)電(dian)路(lu)改(gai)進(jin)的(de)措(cuo)施(shi)。依(yi)據(ju)目(mu)前(qian)放(fang)大(da)器(qi)件(jian)及(ji)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)理(li)論(lun)與(yu)實(shi)踐(jian)

，設(she)計(ji)出(chu)實(shi)用(yong)的(de)新(xin)型(xing)高(gao)性(xing)能(neng)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)。

1 光傳感器及放大電路的現狀和特點

隨sui著zhe物wu聯lian網wang概gai念nian的de提ti出chu和he應ying用yong，對dui光guang傳chuan感gan器qi提ti出chu了le更geng高gao要yao求qiu，如ru在zai特te殊shu環huan境jing下xia的de使shi用yong，要yao求qiu有you更geng高gao的de靈ling敏min度du，更geng大da的de波bo動dong性xing，低di能neng耗hao，微wei型xing化hua等deng。這zhe就jiu需xu要yao光guang傳chuan感gan器qi的de信xin號hao放fang大da電dian路lu更geng具ju穩wen定ding性xing和he長chang壽shou命ming，故gu障zhang率lv低di，更geng大da的de輸shu出chu功gong率lv和he抗kang幹gan擾rao能neng力li強qiang等deng特te點dian。

由(you)於(yu)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)一(yi)些(xie)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)光(guang)信(xin)號(hao)非(fei)常(chang)微(wei)弱(ruo)，如(ru)夜(ye)間(jian)或(huo)光(guang)線(xian)較(jiao)暗(an)的(de)場(chang)所(suo)，而(er)在(zai)一(yi)些(xie)場(chang)合(he)光(guang)線(xian)又(you)比(bi)較(jiao)強(qiang)烈(lie)
，如(ru)陽(yang)光(guang)下(xia)或(huo)聚(ju)光(guang)燈(deng)下(xia)等(deng)。因(yin)此(ci)，放(fang)大(da)器(qi)應(ying)具(ju)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)適(shi)應(ying)性(xing)和(he)更(geng)好(hao)的(de)動(dong)態(tai)調(tiao)節(jie)能(neng)力(li)。雖(sui)然(ran)目(mu)前(qian)放(fang)大(da)器(qi)的(de)種(zhong)類(lei)很(hen)多(duo)，但(dan)符(fu)合(he)現(xian)代(dai)物(wu)聯(lian)網(wang)要(yao)求(qiu)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)光(guang)傳(chuan)感(gan)放(fang)大(da)器(qi)還(hai)處(chu)於(yu)完(wan)善(shan)和(he)改(gai)進(jin)階(jie)段(duan)，有(you)待(dai)進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究(jiu)和(he)解(jie)決(jue)的(de)技(ji)術(shu)問(wen)題(ti)還(hai)有(you)不(bu)少(shao)

，如(ru)穩(wen)定(ding)性(xing)問(wen)題(ti)
，高(gao)增(zeng)益(yi)需(xu)求(qiu)，較(jiao)大(da)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)
，低(di)噪(zao)聲(sheng)特(te)性(xing)，較(jiao)高(gao)輸(shu)出(chu)電(dian)平(ping)，較(jiao)強(qiang)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)等(deng)。

2 光傳感器放大電路設計研究

2.1 光傳感器的驅動電路
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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
、照明光和其他幹擾光的影響，需對反相器電路產生的脈衝輸出進行脈衝調製，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的值要足夠大於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用於激勵晶體管VT1
，減少對振蕩電路的影響，GD也是同樣的目的，晶體管VT1用於驅動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、良好的線性和抗幹擾能力
、結構緊湊、靠近光電敏感器件並具有良好的接地和屏蔽。

dizaoshengqianzhifangdaqitongchangshezhizaiguangchuanganqiyuguangdianminganqijiandeshuchuduanhezhufangdaqizhijian
，taderenwushifangdaguangdianminganqijiansuoshuchudeweiruoxinhao，bingpipeihouxutiaozhengdianluyuguangdianminganqijianzhijiandezukang。

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（信號源阻抗等於最佳源阻抗）；要考慮電路組態、形式等，以滿足增益、頻響

、輸入／輸出阻抗等方麵的要求；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幹擾。

（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
、共模抑製比高、動態範圍較寬、duiwendubianhuahedianyuanbianhuajiqitawaijieganraojuyoujiaoqiangdeyizhinengli，yincishiyongfangdaweiruoxinhao，tongshicaiyongyunsuanfangdaqiyekeshidianlushejijianhua，zuzhuangtiaoshifangbian，gonghaodi，tijixiao
，kekaoxingzengjia。
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（3）為(wei)了(le)獲(huo)得(de)低(di)噪(zao)聲(sheng)特(te)性(xing)


，放(fang)大(da)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)其(qi)他(ta)器(qi)件(jian)也(ye)要(yao)考(kao)慮(lv)低(di)噪(zao)聲(sheng)。這(zhe)裏(li)，電(dian)阻(zu)可(ke)選(xuan)用(yong)金(jin)屬(shu)膜(mo)電(dian)阻(zu)，電(dian)容(rong)可(ke)選(xuan)用(yong)鉭(tan)電(dian)容(rong)或(huo)瓷(ci)介(jie)電(dian)容(rong)
，而(er)信(xin)號(hao)輸(shu)入(ru)線(xian)則(ze)采(cai)用(yong)盡(jin)可(ke)能(neng)短(duan)的(de)鍍(du)銀(yin)屏(ping)蔽(bi)電(dian)纜(lan)，電(dian)路(lu)板(ban)使(shi)用(yong)漏(lou)電(dian)流(liu)小(xiao)的(de)高(gao)絕(jue)緣(yuan)電(dian)路(lu)板(ban)。

3 一種實用的高性能光傳感器放大電路

圖2所示是一種基於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於反饋電阻Rf和輸入電阻Ri的比值
，反相放大器的輸入阻抗等於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。這裏，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，並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。 NE5534A是一種高速、低噪聲運算放大器，它的等效輸入噪聲電壓較小，其典型值為3.5 nV／Hz，單位增益帶寬為10 MHz，典型共模抑製比為100 dB，消耗電流8 mV，具有良好的動態特性。根據理想運算放大器的特點和“虛短”
、“虛斷”的概念，可知運放兩輸入端電壓相等，即：U+=U-，又Uin =U+，由此可得流過電阻R2的電流為IR2=U-／R2=U+／U2=Uin／R2
，IR2= IR3。

運算放大器的輸出為： 因一級放大倍數為8位，選擇電阻RJ一10Rz，由此可得運放輸出為： 第2級放大器A。根據輸入電平在寬範圍改變增益，經過2級放大器把光電晶體管VT的入射光電平放大到足夠檢測到的電平
，再經過同步檢波器與低通濾波器後加到A 比較器的同相輸入端
，與加在反相輸入端通過R 設定的電壓進行比較，若超過Rr 設定的電壓，A 輸出高電平，最後經2級反相器整形輸出。
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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

對於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於10 V yishang
，zheyangkeyibimianfangdaqishuchufengzhichaoguodianyuandianyaerxingchengdianyuandebodong。tongshi，wulianwangdeyingyongchanghedabufenshiweiruoxinhao
，yinci
，bixuchongfenkaolvdianyuanquou，tongchangzaizhiliudianyuanjinruyunfangzhiqianjiaru100 Ω去耦電阻。

（3）輸入濾波器設計

對於高精度mV 級的DC放大器，其各種交流幹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。
5 結語

物(wu)聯(lian)網(wang)產(chan)業(ye)的(de)興(xing)起(qi)需(xu)要(yao)對(dui)多(duo)項(xiang)技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究(jiu)和(he)改(gai)進(jin)及(ji)相(xiang)互(hu)融(rong)合(he)，為(wei)適(shi)應(ying)物(wu)聯(lian)網(wang)的(de)應(ying)用(yong)，傳(chuan)感(gan)器(qi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)研(yan)究(jiu)和(he)改(gai)進(jin)的(de)方(fang)麵(mian)還(hai)有(you)很(hen)多(duo)。本(ben)文(wen)給(gei)出(chu)的(de)放(fang)大(da)器(qi)的(de)設(she)計(ji)理(li)論(lun)和(he)方(fang)法(fa)主(zhu)要(yao)適(shi)用(yong)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)，以(yi)三(san)級(ji)獨(du)立(li)和(he)關(guan)聯(lian)設(she)計(ji)為(wei)特(te)點(dian)
，通(tong)過(guo)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)、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。