CN102437823B - 宽带低噪声传感器放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带低噪声传感器放大电路，包括：传感器，其具有电容值和输出端；放大器，其具有连接到传感器的输出端的输入端；和负电容电路，其与传感器的输出端并联电连接。负电容电路减小了传感器寄生电容的影响，从而在放大器输出端上提供增大的带宽和减小的噪声。

Description

宽带低噪声传感器放大电路

技术领域

本发明一般涉及传感器放大电路。

背景技术

在电子电路的评价、设计和测试过程中，会利用许多类型的不同传感器。特别地，对于开发和研究许多类型的电子装置的电磁性能以及信号/电源完整性而言，电/光传感器、磁/光传感器和环形天线电流传感器全都是有用的器件。

这些传感器利用光传感器来检测来自被测试的器件的信号。此外，这样的传感器需要既满足宽带又满足低噪声的放大器以便以高精度测试高频电路。

这些传感器、特别是光传感器的一个缺点是，传感器展现出耦合到放大器的输入端的寄生电容。该寄生电容不仅会减小放大器输出的带宽，而且会增大放大器输出的噪声。这样的被减小的带宽和增大的噪声会阻碍测试或评价过程中的精确读取。

发明内容

本发明提供了一种克服先前已知的器件的上述缺点的传感器电路。

简言之，本发明的传感器电路包括具有输出端的传感器。该传感器也展现出由传感器的设计引起的寄生电容。

把来自传感器的输出作为对放大器的输入来提供以放大传感器输出。传感器的寄生电容同样被耦合到放大器输入端。

为了减小传感器寄生电容的不利影响，负电容电路与传感器输出端并联电连接并且因此与放大器的输入端并联电连接。在一种设计中，负电容电路包括输出端连接到电容器的一个引线的放大器。电容器的另一引线以及放大器的输入端与传感器输出端并联连接。因此，通过调节第二放大器的增益，负电容插入传感器和传感器放大器之间，这有效地减小传感器的寄生电容的不利影响。

在实践中，负电容被调节为小于寄生电容值的值并且优选地为寄生电容值的一半。通过这样做，在扩展传感器电路的带宽的同时减小了来自放大器的输出噪声。

附图说明

当结合附图阅读时，参考以下详细说明将会更好地理解本发明，其中同样的附图标记在几幅图中始终指代同样的部分，并且其中：

图1是示出本发明的第一优选实施例的示意图；

图2是示出本发明的优选实施例的操作的图；并且

图3是示出本发明的第二优选实施例的示意图。

具体实施方式

参考图1，其示出了根据本发明的传感器电路10的第一优选实施例。按照常规方式，传感器电路10包括传感器12(诸如光电二极管传感器)。

传感器12包括电流源14，在光电二极管传感器的情况下，该电流源的所产生的电流的量随光的强度而变化。传感器12还包括由电阻器16表示的输出电阻。

传感器12展现出作为与电阻器16和电流源14并联耦合的电容器18示出的寄生电容。此外，该电容器18对来自传感器电路10的输出26的带宽和噪声水平有不利影响。

传感器输出20作为输入信号耦合到高增益放大器22。反馈电阻器24控制跨阻抗放大器29的跨阻抗，使得来自放大器22的输出26形成来自传感器电路10的输出。

为了减小传感器寄生电容器18的不利影响，负电容电路28与传感器输出端20并联电连接。此外，负电容电路28的值小于寄生电容器18，并且如在下文中更详细描述的那样，优选地为大约寄生电容器18的值的一半。

仍参考图1，负电容电路28由输入端32连接到来自传感器12的输出端20的可变增益放大器30形成。来自放大器30的输出端34被耦合到电容器36的一个引线，而电容器36的另一引线也连接到传感器输出端20。

负电容电路28的瞬时负电容随放大器30的输入端32上的瞬时电压而变化。负电容C_negative的值由以下公式给出：

C_negative＝C_c(1-A_v2)

其中C_c＝电容器36的电容；A_v2＝放大器30的电压增益。

现在参考图2，插入负电容电路28的总效果被示出为这样的图：以纵轴表示的输出噪声的值随着以横轴表示的来自负电容电路28的负电容的值而变化的图。此外，该图假定放大器22和30两者的固有噪声基本上是相同的。

来自传感器电路的总输出噪声的值被确定如下：

$V_{\mathrm{noise}}=\sqrt{{V_{\mathrm{no}\_\mathrm{al}}}^2+{V_{\mathrm{no}\_a2}}^2}$

其中V_noise＝总输出噪声；V_{no_a1}＝放大器22的输出噪声；V_{no_a2}＝放大器30的输出噪声；C_p＝传感器12的寄生电容18。如从图2可以看出的那样，如果负电容如所示的那样在40处被设置为零，则负电容电路28没有影响，使得如所示的那样在42处，来自传感器电路10的总噪声等于放大器22的总噪声水平。

类似地，当来自负电容电路28的负电容的值如所示的那样在44处增大到值C_p，如直线46所示的来自放大器22的总噪声水平下降，而可归于放大器32的总噪声如直线48所示那样提高。由于假定放大器22和30两者的内部噪声是相同的，所以当C_negative等于电容器C_p 18上的寄生电容的值时的总噪声水平也如42处所示。

然而，通过调节负电容电路28的值使得负电容等于寄生电容器18的值的一半(如直线50所示)，由图线43所示的来自传感器电路10的总噪声被确定如下：

$V_{\mathrm{noise}}=\sqrt{{\left(V_{\mathrm{no}\_a1}\right)}^2+{\left(V_{\mathrm{no}\_a2}\right)}^2}$

如果 $V_{\mathrm{no}\_a1}=V_{\mathrm{no}\_a2}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{noise}\_\mathrm{org}}$

则 $V_{\mathrm{noise}}=\frac{V_{\mathrm{noise}\_\mathrm{org}}}{\sqrt{2}}$

因此，如果负电容的值被设置为传感器12的寄生电容18的一半，则负电容电路在将传感器电路10的带宽扩展为两倍的同时，有效地将来自传感器电路10的总噪声减小为

现在参考图3，其示出了传感器电路的改型10′。在该改型中，传感器12和跨阻抗放大器29与前面描述的相同。因此，通过引用将那部分描述结合在此。

然而，与图1中所示的本发明的实施例不同，示出了不同的负电容电路60。作为替代，负电容电路60包括一对基本上相同的双极性晶体管62和64。尽管可以利用任何类型的晶体管，但是如图所示，晶体管64的集电极连接到来自传感器12的输出线路20并且晶体管62的集电极连接到地。电容器66连接在晶体管62和64的发射极之间并且两个发射极也都连接到电流源63和65。电流源68向晶体管64提供偏置电流。

可变差分放大器70的同相输入端72电连接到传感器输出端20。来自放大器70的同相输出端74连接到晶体管64的基极，而类似地，来自放大器70的反相输出端76耦合到另一晶体管62的基极。

因此，晶体管62和64形成一推挽对，在该推挽对中，在给定时刻晶体管62和64中仅有一个处于开通或导通。此外，图3中所示的实施例更有优势，这是因为共模噪声由于负电容电路60几乎处于差分模式而能够被减小。

负电容电路60的负电容的值通过以下公式确定：

C_negative＝C_c(1-A_v3)

其中C_negative＝负电容的值；C_c＝电容器66的电容；A_v3＝差分放大器70的增益。

根据上述内容可以看出，本发明提供了一种简单且便宜的传感器电路，其同时享有减小的输出噪声以及增大的带宽。虽然已经描述了我们的发明，然而对于本发明所属的领域的技术人员来说，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神的情况下，对上述发明的许多改型将会变得明显。

Claims (5)

1.一种电路，包括：

传感器，其具有电容值和输出端；

放大器，其具有连接到所述传感器的所述输出端的输入端；和

负电容电路，其与所述传感器的所述输出端并联电连接，其中，所述负电容电路包括：

各自具有基极、发射极和集电极的第一和第二晶体管，其中，所述第一晶体管的所述集电极连接到所述传感器的所述输出端且所述第一晶体管的所述发射极连接到第一电流源，并且所述第二晶体管的所述集电极连接到地电压电平且所述第二晶体管的所述发射极连接到第二电流源，

电连接在所述晶体管的所述发射极之间的电容器，

连接到所述传感器的所述输出端的第三电流源，

第二放大器，其具有连接到所述传感器的所述输出端的同相输入端、连接到地电平的反相输入端、连接到所述第一晶体管的所述基极的同相输出端、以及连接到所述第二晶体管的所述基极的反相输出端。

2.如权利要求1所述的电路，其中，所述负电容的值小于所述传感器的电容值。

3.如权利要求2所述的电路，其中，所述负电容的值基本上是所述传感器的电容值的一半。

4.如权利要求1所述的电路，其中，所述第二放大器包括可变增益放大器。

5.如权利要求1所述的电路，其中，所述第二放大器包括差分可变增益放大器。