一種光傳感器高性能放大電路的設(shè)計(jì)研究

0 引言
傳感網(wǎng)具有部署靈活、方便擴(kuò)展等特點(diǎn)，可用于事件檢測(cè)、目標(biāo)定位、跟蹤識(shí)別、信息傳輸和智能處理。傳感器是傳感網(wǎng)概念中最基礎(chǔ)和最廣泛的技術(shù)支撐之一。傳感器又有電子和光學(xué)之分，其應(yīng)用上有測(cè)力、稱重、測(cè)溫等方式。隨著激光和光纖技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，近幾年來(lái)，光傳感器得到了快速發(fā)展。光傳感器具有靈敏度高，不受電磁干擾，應(yīng)用簡(jiǎn)單，性價(jià)比高等特點(diǎn)，在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如各類(lèi)家電搖控器，光電測(cè)量系統(tǒng)，光纖傳感領(lǐng)域，全光網(wǎng)絡(luò)等。
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器技術(shù)的要求，研究其信號(hào)的放大與傳輸技術(shù)是目前傳感網(wǎng)的研究熱點(diǎn)之一。如何提高微弱的光傳感器信號(hào)的放大性能和傳輸效率，是光傳感器需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要針對(duì)光傳感器的放大電路進(jìn)行研究，深入了解光傳感信號(hào)的特點(diǎn)及對(duì)光傳感器的性能要求，掌握特定放大電路的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，特別是運(yùn)用新器件的能力及電路改進(jìn)的措施。依據(jù)目前放大器件及電路設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐，設(shè)計(jì)出實(shí)用的新型高性能光傳感器放大電路。

1 光傳感器及放大電路的現(xiàn)狀和特點(diǎn)
隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和應(yīng)用，對(duì)光傳感器提出了更高要求，如在特殊環(huán)境下的使用，要求有更高的靈敏度，更大的波動(dòng)性，低能耗，微型化等。這就需要光傳感器的信號(hào)放大電路更具穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命，故障率低，更大的輸出功率和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
由于光傳感器在一些應(yīng)用場(chǎng)合采集到的光信號(hào)非常微弱，如夜間或光線較暗的場(chǎng)所，而在一些場(chǎng)合光線又比較強(qiáng)烈，如陽(yáng)光下或聚光燈下等。因此，放大器應(yīng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和更好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。雖然目前放大器的種類(lèi)很多，但符合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)要求的高性能光傳感放大器還處于完善和改進(jìn)階段，有待進(jìn)一步研究和解決的技術(shù)問(wèn)題還有不少，如穩(wěn)定性問(wèn)題，高增益需求，較大動(dòng)態(tài)范圍，低噪聲特性，較高輸出電平，較強(qiáng)抗干擾能力等。

2 光傳感器放大電路設(shè)計(jì)研究
2．1 光傳感器的驅(qū)動(dòng)電路
圖1是紅外線驅(qū)動(dòng)電路，LED用作光傳感器光源。為減少自然光、照明光和其他干擾光的影響，需對(duì)反相器電路產(chǎn)生的脈沖輸出進(jìn)行脈沖調(diào)制，反相器中的GA和GB構(gòu)成振蕩電路，如果反相器GA和GB的門(mén)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(hù)GA的輸入電阻，為了在更換成其他類(lèi)元件時(shí)頻率與占空比不改變，R3的值要足夠大于RP的值。若采用兩個(gè)二級(jí)管VD1和VD2及RP2和RP3替代RP，就可以分別調(diào)整C1的放電時(shí)間，調(diào)整RP2與RP3可以調(diào)整頻率與占空比。反相器GC用于激勵(lì)晶體管VT1，減少對(duì)振蕩電路的影響，GD也是同樣的目的，晶體管VT1用于驅(qū)動(dòng)LED，電阻R1是LED的限流電阻，同時(shí)也起到去耦作用。

2．2 低噪聲前置放大電路
研究表明，對(duì)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(hào)帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力、結(jié)構(gòu)緊湊、靠近光電敏感器件并具有良好的接地和屏蔽。
低噪聲前置放大器通常設(shè)置在光傳感器與光電敏感器件的輸出端和主放大器之間，它的任務(wù)是放大光電敏感器件所輸出的微弱信號(hào)，并匹配后續(xù)調(diào)整電路與光電敏感器件之間的阻抗。