0 引言
傳感網(wǎng)具有部署靈活、方便擴展等特點,，可用于事件檢測,、目標(biāo)定位、跟蹤識別,、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)用上有測力,、稱重、測溫等方式,。隨著激光和光纖技術(shù)的進一步應(yīng)用,，近幾年來，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)用簡單,，性價比高等特點,，在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如各類家電搖控器,，光電測量系統(tǒng),，光纖傳感領(lǐng)域，全光網(wǎng)絡(luò)等,。
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)對傳感器技術(shù)的要求,，研究其信號的放大與傳輸技術(shù)是目前傳感網(wǎng)的研究熱點之一。如何提高微弱的光傳感器信號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,。本文主要針對光傳感器的放大電路進行研究，深入了解光傳感信號的特點及對光傳感器的性能要求,，掌握特定放大電路的設(shè)計理論和設(shè)計方法,，特別是運用新器件的能力及電路改進的措施。依據(jù)目前放大器件及電路設(shè)計理論與實踐,，設(shè)計出實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
隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和應(yīng)用，對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,，更大的波動性，低能耗,，微型化等,。這就需要光傳感器的信號放大電路更具穩(wěn)定性和長壽命，故障率低,，更大的輸出功率和抗干擾能力強等特點,。
由于光傳感器在一些應(yīng)用場合采集到的光信號非常微弱，如夜間或光線較暗的場所,，而在一些場合光線又比較強烈,，如陽光下或聚光燈下等。因此,，放大器應(yīng)具有很強的適應(yīng)性和更好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力,。雖然目前放大器的種類很多，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階段,，有待進一步研究和解決的技術(shù)問題還有不少,，如穩(wěn)定性問題，高增益需求,，較大動態(tài)范圍,，低噪聲特性，較高輸出電平,，較強抗干擾能力等,。
2 光傳感器放大電路設(shè)計研究
2．1 光傳感器的驅(qū)動電路
圖1是紅外線驅(qū)動電路，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，需對反相器電路產(chǎn)生的脈沖輸出進行脈沖調(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的值要足夠大于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(diào)整C1的放電時間,，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用于驅(qū)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(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，并匹配后續(xù)調(diào)整電路與光電敏感器件之間的阻抗,。
設(shè)計前置放大器電路：
(1)首先要考慮的幾個問題是：應(yīng)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(信號源阻抗等于最佳源阻抗),；要考慮電路組態(tài)、形式等,，以滿足增益,、頻響、輸入／輸出阻抗等方面的要求,；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干擾。
(2)為了滿足低噪聲放大器對噪聲匹配的要求,，應(yīng)選擇合適的放大器件,，也就是源電阻。試驗表明,，源電阻在100 Ω～1 MΩ之間選用晶體管,，源電阻在1 kΩ～1 MΩ之間可選用運放，源電阻在1 kΩ～1 GΩ之間多采用結(jié)型場效應(yīng)管,，源電阻超過1 MΩ也可選用MOSFET,。一般紅外光電管的輸出電阻為20 kΩ，因此,，選用晶體管,、運算放大器,、結(jié)構(gòu)場效應(yīng)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(diào)電壓和溫度漂移較小、共模抑制比高,、動態(tài)范圍較寬,、對溫度變化和電源變化及其他外界干擾具有較強的抑制能力，因此適用放大微弱信號,，同時采用運算放大器也可使電路設(shè)計簡化,，組裝調(diào)試方便，功耗低,，體積小,，可靠性增加。
(3)為了獲得低噪聲特性,，放大電路中的其他器件也要考慮低噪聲,。這里，電阻可選用金屬膜電阻,，電容可選用鉭電容或瓷介電容,，而信號輸入線則采用盡可能短的鍍銀屏蔽電纜，電路板使用漏電流小的高絕緣電路板,。
3 一種實用的高性能光傳感器放大電路
圖2所示是一種基于運算放大器設(shè)計的三級級聯(lián)光傳感器放大電路,。設(shè)計中要注意，對獨立設(shè)置的單級運算放大器其增益取決于反饋電阻Rf和輸人電阻Ri的比值,，反相放大器的輸入阻抗等于Ri,，而外接電容Cf是補償電容，目的是防止自激,。聯(lián)合設(shè)計時每級放大電路各有側(cè)重,。這里，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,，并設(shè)計為負(fù)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,，典型共模抑制比為100 dB,，電源電壓范圍為-3～-20 V,，+3～+20 V，具有0．02％的增益偏差,，消耗電流8 mV,，具有良好的動態(tài)特性。根據(jù)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=IRJ,。
運算放大器的輸出為：
因一級放大倍數(shù)為8位,，選擇電阻RJ=10R2，由此可得運放輸出為：
第2級放大器A2根據(jù)輸入電平在寬范圍改變增益,，經(jīng)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(jīng)過同步檢波器與低通濾波器后加到A4比較器的同相輸入端，與加在反相輸入端通過RP2設(shè)定的電壓進行比較,，若超過RP2設(shè)定的電壓,，A4輸出高電平，最后經(jīng)2級反相器整形輸出,。
4 光傳感器放大電路的改進
近年來,，數(shù)字電路呈主導(dǎo)應(yīng)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(shè)計的傳感器放大電路其改進的措施主要有：
(1)負(fù)反饋特性
對于多級級聯(lián)的放大器電路，為防止巴克豪森振蕩,，負(fù)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(yīng)選擇大于10 V以上,，這樣可以避免放大器輸出峰值超過電源電壓而形成電源的波動。同時,，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場合大部分是微弱信號,，因此,，必須充分考慮電源去耦，通常在直流電源進入運放之前加入100 Ω去耦電阻,。
(3)輸入濾波器設(shè)計
對于高精度mV級的DC放大器,，其各種交流干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 kΩD和一個小電容(3．3μF)構(gòu)成RC濾波，如圖3所示,。
5 結(jié)語
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起需要對多項技術(shù)進行進一步研究和改進及相互融合,，為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，傳感器放大電路需要研究和改進的方面還有很多,。本文給出的放大器的設(shè)計理論和方法主要適用光傳感器應(yīng)用場合,，以三級獨立和關(guān)聯(lián)設(shè)計為特點，通過驅(qū)動電路,、阻抗設(shè)計,、負(fù)反饋、濾波設(shè)計,、電源低耗設(shè)計,、整形輸出等技術(shù)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。