过程检测技术及仪表论文.

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4 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/（2πRC）R1为反馈电阻f为信号频率在信号频率f<

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/(2πR1C1)

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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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