中心議題：

• 實用高性能光傳感器放大電路的設計研究

解決方案：

• 利用光傳感器的驅動電路
• 運用低噪聲前置放大電路
• 采用一種實用的高性能光傳感器放大電路

引言

傳感網具有部署靈活
、方便擴展等特點，可用於事件檢測、目標定位、跟蹤識別

、信息傳輸和智能處理。

傳感器是傳感網概念中最基礎和最廣泛的技術支撐之一。傳感器又有電子和光學之分，其應用上有測力

、稱重
、測ce溫wen等deng方fang式shi。隨sui著zhe激ji光guang和he光guang纖xian技ji術shu的de進jin一yi步bu應ying用yong，近jin幾ji年nian來lai，光guang傳chuan感gan器qi得de到dao了le快kuai速su發fa展zhan。光guang傳chuan感gan器qi具ju有you靈ling敏min度du高gao，不bu受shou電dian磁ci幹gan擾rao
，應ying用yong簡jian單dan，性xing價jia比bi高gao等deng特te點dian，在zai各ge種zhong領ling域yu得de到dao廣guang泛fan應ying用yong。如ru各ge類lei家jia電dian搖yao控kong器qi，光guang電dian測ce量liang係xi統tong，光guang纖xian傳chuan感gan領ling域yu

，全quan光guang網wang絡luo等deng。

genjuwulianwangduichuanganqijishudeyaoqiu
，yanjiuqixinhaodefangdayuchuanshujishushimuqianchuanganwangdeyanjiuredianzhiyi。ruhetigaoweiruodeguangchuanganqixinhaodefangdaxingnenghechuanshuxiaolv，shiguangchuanganqixuyaojiejuedeguanjianjishuzhiyi。benwenzhuyaozhenduiguangchuanganqidefangdadianlujinxingyanjiu，shenrulejieguangchuanganxinhaodetedianjiduiguangchuanganqidexingnengyaoqiu，zhangwotedingfangdadianludeshejililunheshejifangfa，tebieshiyunyongxinqijiandenenglijidianlugaijindecuoshi。yijumuqianfangdaqijianjidianlushejililunyushijian

，shejichushiyongdexinxinggaoxingnengguangchuanganqifangdadianlu。

1 光傳感器及放大電路的現狀和特點

suizhewulianwanggainiandetichuheyingyong，duiguangchuanganqitichulegenggaoyaoqiu，ruzaiteshuhuanjingxiadeshiyong
，yaoqiuyougenggaodelingmindu，gengdadebodongxing，dinenghao，weixinghuadeng。zhejiuxuyaoguangchuanganqidexinhaofangdadianlugengjuwendingxinghechangshouming
，guzhanglvdi，gengdadeshuchugonglvhekangganraonengliqiangdengtedian。

youyuguangchuanganqizaiyixieyingyongchanghecaijidaodeguangxinhaofeichangweiruo，ruyejianhuoguangxianjiaoandechangsuo，erzaiyixiechangheguangxianyoubijiaoqianglie，ruyangguangxiahuojuguangdengxiadeng。yinci
，fangdaqiyingjuyouhenqiangdeshiyingxinghegenghaodedongtaitiaojienengli。suiranmuqianfangdaqidezhongleihenduo，danfuhexiandaiwulianwangyaoqiudegaoxingnengguangchuanganfangdaqihaichuyuwanshanhegaijinjieduan
，youdaijinyibuyanjiuhejiejuedejishuwentihaiyoubushao，ruwendingxingwenti，gaozengyixuqiu，jiaodadongtaifanwei，dizaoshengtexing，jiaogaoshuchudianping，jiaoqiangkangganraonenglideng。

2 光傳感器放大電路設計研究

2.1 光傳感器的驅動電路
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圖1是紅外線驅動電路，LED用作光傳感器光源。
為減少自然光
、照明光和其他幹擾光的影響，需對反相器電路產生的脈衝輸出進行脈衝調製
，反相器中的GA和GB構成振蕩電路，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的值要足夠大於Rp的值。若采用兩個二級管VD1和VD2及Rp2和Rp3替代Rp，就可以分別調整C1的放電時間
，調整Rp2與Rp3可以調整頻率與占空比。反相器Gc用於激勵晶體管VT1

，減少對振蕩電路的影響，GD也是同樣的目的，晶體管VT1用於驅動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載能力、良好的線性和抗幹擾能力

、結構緊湊、靠近光電敏感器件並具有良好的接地和屏蔽。

低di噪zao聲sheng前qian置zhi放fang大da器qi通tong常chang設she置zhi在zai光guang傳chuan感gan器qi與yu光guang電dian敏min感gan器qi件jian的de輸shu出chu端duan和he主zhu放fang大da器qi之zhi間jian
，它ta的de任ren務wu是shi放fang大da光guang電dian敏min感gan器qi件jian所suo輸shu出chu的de微wei弱ruo信xin號hao，並bing匹pi配pei後hou續xu調tiao整zheng電dian路lu與yu光guang電dian敏min感gan器qi件jian之zhi間jian的de阻zu抗kang。

設計前置放大器電路：

（1）首先要考慮的幾個問題是：應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（信號源阻抗等於最佳源阻抗）；要考慮電路組態、形式等，以滿足增益、頻響
、輸入／輸出阻抗等方麵的要求；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幹擾。

（2）為了滿足低噪聲放大器對噪聲匹配的要求，應選擇合適的放大器件，也就是源電阻。試驗表明，源電阻在100 Q～ 1 MQ 之間選用晶體管
，源電阻在1 ka～1 MQ之間可選用運放，源電阻在1 kQ～1 GQ之間多采用結型場效應管，源電阻超過1 MQ也可選用MOSFET。一般紅外光電管的輸出電阻為20 kQ，因此，選用晶體管、運算放大器、結構場效應管均可。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
、失調電壓和溫度漂移較小、共模抑製比高、動態範圍較寬
、duiwendubianhuahedianyuanbianhuajiqitawaijieganraojuyoujiaoqiangdeyizhinengli
，yincishiyongfangdaweiruoxinhao，tongshicaiyongyunsuanfangdaqiyekeshidianlushejijianhua
，zuzhuangtiaoshifangbian，gonghaodi，tijixiao
，kekaoxingzengjia。
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（3）為wei了le獲huo得de低di噪zao聲sheng特te性xing，放fang大da電dian路lu中zhong的de其qi他ta器qi件jian也ye要yao考kao慮lv低di噪zao聲sheng。這zhe裏li，電dian阻zu可ke選xuan用yong金jin屬shu膜mo電dian阻zu，電dian容rong可ke選xuan用yong鉭tan電dian容rong或huo瓷ci介jie電dian容rong，而er信xin號hao輸shu入ru線xian則ze采cai用yong盡jin可ke能neng短duan的de鍍du銀yin屏ping蔽bi電dian纜lan，電dian路lu板ban使shi用yong漏lou電dian流liu小xiao的de高gao絕jue緣yuan電dian路lu板ban。

3 一種實用的高性能光傳感器放大電路

圖2所示是一種基於運算放大器設計的三級級聯光傳感器放大電路。設計中要注意，對獨立設置的單級運算放大器其增益取決於反饋電阻Rf和輸入電阻Ri的比值
，反相放大器的輸入阻抗等於Ri
，而外接電容c是補償電容，目的是防止自激。聯合設計時每級放大電路各有側重。這裏，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，並設計為負反饋放大電路

，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，典型共模抑製比為100 dB，消耗電流8 mV，具有良好的動態特性。根據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= IR3。

運算放大器的輸出為： 因一級放大倍數為8位，選擇電阻RJ一10Rz，由此可得運放輸出為： 第2級放大器A。根據輸入電平在寬範圍改變增益，經過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，再經過同步檢波器與低通濾波器後加到A 比較器的同相輸入端，與加在反相輸入端通過R 設定的電壓進行比較

，若超過Rr 設定的電壓，A 輸出高電平，最後經2級反相器整形輸出。
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4 光傳感器放大電路的改進

近年來，數字電路呈主導應用，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。采用運算放大器設計的傳感器放大電路其改進的措施主要有：

（1）負反饋特性

對於多級級聯的放大器電路，為防止巴克豪森振蕩，負反饋不可太深
，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選擇大於10 V 以yi上shang，這zhe樣yang可ke以yi避bi免mian放fang大da器qi輸shu出chu峰feng值zhi超chao過guo電dian源yuan電dian壓ya而er形xing成cheng電dian源yuan的de波bo動dong。同tong時shi，物wu聯lian網wang的de應ying用yong場chang合he大da部bu分fen是shi微wei弱ruo信xin號hao，因yin此ci
，必bi須xu充chong分fen考kao慮lv電dian源yuan去qu耦ou，通tong常chang在zai直zhi流liu電dian源yuan進jin入ru運yun放fang之zhi前qian加jia入ru100 Ω去耦電阻。

（3）輸入濾波器設計

對於高精度mV 級的DC放大器，其各種交流幹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 kΩ）和一個小電容（3.3μF）構成RC濾波

，如圖3所示。
5 結語

物wu聯lian網wang產chan業ye的de興xing起qi需xu要yao對dui多duo項xiang技ji術shu進jin行xing進jin一yi步bu研yan究jiu和he改gai進jin及ji相xiang互hu融rong合he

，為wei適shi應ying物wu聯lian網wang的de應ying用yong
，傳chuan感gan器qi放fang大da電dian路lu需xu要yao研yan究jiu和he改gai進jin的de方fang麵mian還hai有you很hen多duo。本ben文wen給gei出chu的de放fang大da器qi的de設she計ji理li論lun和he方fang法fa主zhu要yao適shi用yong光guang傳chuan感gan器qi應ying用yong場chang合he
，以yi三san級ji獨du立li和he關guan聯lian設she計ji為wei特te點dian，通tong過guo驅qu動dong電dian路lu、阻抗設計、負反饋、濾波設計、電源低耗設計、整形輸出等技術的引入，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。