雙線(xiàn)遠(yuǎn)程傳感器前置放大器

本設(shè)計(jì)實(shí)例實(shí)現(xiàn)了一種遠(yuǎn)程傳感器前置放大器(如用于壓電式傳感器)，其可通過(guò)單個(gè)導(dǎo)線(xiàn)對(duì)或同軸電纜傳輸信號(hào)和電能。

AD822ARZ是一個(gè)真正的單電源供電運(yùn)算放大器，其具有軌到軌輸出、極低的輸入電流和低頻噪聲，適合與高阻抗信號(hào)源同時(shí)工作。AD822具有5V的單電源供電能力，這使其成為本設(shè)計(jì)實(shí)例的佳選。

R6為壓電傳感器提供匹配負(fù)載。R5和D1保護(hù)IC1-1免受可能來(lái)自壓電傳感器的高電壓尖峰的影響。IC1-1提供初級(jí)增益(在工作頻率范圍內(nèi)約為1+R7/R8)和部分增益頻率特性。R8和C6抑制次聲波頻率(截止頻率為1/2πR8C6)，并使傳感器的頻率響應(yīng)線(xiàn)性化。R7和C5的結(jié)合可抑制超出工作頻率范圍的頻率(截止頻率為1/2πR7C5)。R10-C9和R13-C11為附加的低通濾波器。設(shè)置于IC1-2周?chē)?、可抑制次聲波頻率的二階濾波器是主要的高通濾波器。前置放大器的輸出端為Q2的開(kāi)路集電極。Q2的負(fù)載(Rg:1.5kΩ)放置在接收器處。

前置放大器的電源涉及下述因素：分壓器R2、R9和C7通過(guò)R6和R11為IC1兩部分提供數(shù)值為電源電壓一半(R2=R9)的偏移電壓。假設(shè)電源電壓為5V，則AD822的靜態(tài)電流Iq的最大值為1.6mA。研究表明，輸出晶體管的集電極電流Ic(無(wú)信號(hào))應(yīng)為Iq的若干倍。R14用于設(shè)置Iq，計(jì)算方法如下：R14EB)/Iq=(5V/2-0.68V)/1.6mA=1.14kΩ(0.68V是此類(lèi)晶體管在放大模式下的發(fā)射極基極電壓VEB的典型值)。將R14的值設(shè)為560Ω，則輸出晶體管的集電極電流Ic的值為(Vs/2-VEB)/R14。在BC847C的hFE不低于420的情況下，Q2的基極電流小到可以忽略。因此，Ic=(5V/2-0.68V)/560Ω=3.25mA。通過(guò)集電極負(fù)載的最大電流(無(wú)信號(hào))為：Imax=Ic+Iq=3.25mA+1.6mA=4.85mA。

研究表明，由于高噪聲會(huì)被反映至負(fù)載電阻，因此一般的穩(wěn)壓器IC此時(shí)不適用。仿真過(guò)程沒(méi)有顯示這一現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的Q1電路成為最佳解決方案。Q1發(fā)射極處的輸出電壓Vs為：

Vs=(Vext-Rg×Imax)×R3/(R3+R4)-VEB

(Vext是外部直流電壓(15V),VEB=0.68V。)

Vs=(15V-1.5kΩ×4.85mA)×68kΩ/(20kΩ+68kΩ)-0.68V=5.3V

這一數(shù)值是一個(gè)近似值。事實(shí)上，Vs值要更小一些，因?yàn)樯鲜龅仁轿磳1的基極和分壓器電流考慮在內(nèi)。建議將R3-R4分壓器電流的最小值設(shè)置為Q1基極電流的10倍以上。Q1集電極的交流分量被C4濾除。應(yīng)根據(jù)前置放大器的最低工作頻率選擇C4的值。轉(zhuǎn)折頻率1/2πR3C4應(yīng)至少低于前置放大器通頻帶低端的10倍。

R1-C3網(wǎng)絡(luò)是可選配置;在使用R1-C3網(wǎng)絡(luò)的情況下，若需要一個(gè)更寬的高頻通帶，應(yīng)將C3的值設(shè)置得更低。C9也是可選配置，其影響的是高頻范圍。若需要使用C9，則可以將去耦電容C1的值降低至10μF。圖中所示的前置放大器提供了26dB的增益(Rg=1.5kΩ)，其通頻帶的頻率約為8Hz～36Hz。交流輸出電壓的最大值約為5Vp-p(在靜態(tài)工作點(diǎn)約為7.8VDC的情況下為±2.4V)。實(shí)際器件的電流消耗為4.8mA。迄今為止，該解決方案已在28個(gè)器件上可靠、持續(xù)地運(yùn)行，線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)150m。