一種光傳感器高性能放大電路的設計研究

0 引言
傳感網具有部署靈活、方便擴展等特點，可用于事件檢測、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、測溫等方式。隨著激光和光纖技術的進一步應用，近幾年來，光傳感器得到了快速發展。光傳感器具有靈敏度高，不受電磁干擾，應用簡單，性價比高等特點，在各種領域得到廣泛應用。如各類家電搖控器，光電測量系統，光纖傳感領域，全光網絡等。
根據物聯網對傳感器技術的要求，研究其信號的放大與傳輸技術是目前傳感網的研究熱點之一。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鍵技術之一。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計理論和設計方法，特別是運用新器件的能力及電路改進的措施。依據目前放大器件及電路設計理論與實踐，設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狀和特點
隨著物聯網概念的提出和應用，對光傳感器提出了更高要求，如在特殊環境下的使用，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，放大器應具有很強的適應性和更好的動態調節能力。雖然目前放大器的種類很多，但符合現代物聯網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問題還有不少，如穩定性問題，高增益需求，較大動態范圍，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計研究
2．1 光傳感器的驅動電路
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、照明光和其他干擾光的影響，需對反相器電路產生的脈沖輸出進行脈沖調制，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、良好的線性和抗干擾能力、結構緊湊、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，它的任務是放大光電敏感器件所輸出的微弱信號，并匹配后續調整電路與光電敏感器件之間的阻抗。