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。可使用傳感器將各類物理量(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(jìn)行遠(yuǎn)程的分析、控制，實(shí)現(xiàn)資源共享。但由于要檢測(cè)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(hào)較低。若與傳感器連接的前置放大器設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)使信號(hào)淹沒(méi)在“噪聲”中而無(wú)法使用。因此，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)傳感器前置放大器提出了低噪聲的設(shè)計(jì)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(dòng)。外部干擾噪聲可以采用屏蔽的方法進(jìn)行處理，而系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲只能通過(guò)電子線路設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)行控制，無(wú)法根除。

1.2噪聲分類

電子線路的噪聲按其產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn)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(duì)溫度零度時(shí)，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(duì)溫度，單位為K；亳為測(cè)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(jī)發(fā)生的，在時(shí)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(dá)式為:

因此，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，不相干噪聲源的疊加，是按照能量進(jìn)行疊加的。

2光導(dǎo)型紅外傳感器低噪聲電子線路設(shè)計(jì)

低噪聲電子線路的設(shè)計(jì)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(hào)提取機(jī)理

圖1所示是光導(dǎo)型紅外傳感器信號(hào)的提取方法示意圖。

圖1光導(dǎo)型紅外傳感器信號(hào)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(gè)光敏電阻，工作時(shí)需加偏壓。當(dāng)光照射在傳感器上時(shí)，其阻值隨光強(qiáng)增大而下降,從而使流過(guò)電路的電流發(fā)生變化，產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)耦合電容輸出。傳感器受光前』點(diǎn)的電壓為：

當(dāng)傳感器接收到紅外光時(shí)，其阻值變化量為ΔRS，A點(diǎn)電壓變?yōu)椋?

紅外傳感器產(chǎn)生的光電信號(hào)為：

將式（4）、式代入式（6），整理后得：

對(duì)（7）式求導(dǎo)得：

由此可知，當(dāng)偏置電阻的阻值與探測(cè)器的阻值相等時(shí)，可取得最大信號(hào)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(cè)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(xiàn)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(shí)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(hào)越小。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，RL等于3~5倍的RS時(shí)，所取得的信噪比最大。

在通過(guò)前級(jí)的偏置匹配取得最佳信噪比后，我們要做的工作是進(jìn)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(jìn)行疊加的。而按照加法器的工作原理，信號(hào)是按電壓進(jìn)行疊加的，故有:

而單位時(shí)間內(nèi)的噪聲能量(噪聲功率)的疊加為：

加法器和前級(jí)放大器選用器件相同，故可認(rèn)為R1和R相等，同時(shí)前級(jí)各放大器的輸岀噪聲相等，則有：

經(jīng)過(guò)加法器處理后，相位相同的信號(hào)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(shí)，輸入阻抗降低了n倍，這會(huì)影響前級(jí)的阻抗匹配，故不能無(wú)限制多級(jí)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(yǔ)

該前置放大器的設(shè)計(jì)充分利用了同相位信號(hào)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(jiǎn)單實(shí)用，有利于微弱光電信號(hào)的檢測(cè)。故可廣泛應(yīng)用于大氣污染檢測(cè)、水污染監(jiān)控、溫度檢測(cè)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。

20211222_61c2041115d95__光導(dǎo)型紅外傳感器低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)