CN104682882A - Rc前置放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的RC前置放大器电路，包括信号源Ui、第一级级联三极管、第二级级联放大器、自举电路、负载电阻R5、米勒电容C2和级联负反馈通路，第一级级联三极管的基极连接信号源Ui的正向端，其发射极与级联负反馈电路的输出端连接，级联负反馈电路的输入端连接于第二级级联放大器的输出端，第一级级联三极管的集电极分别连接于负载电阻R5的一端及第二级级联放大器的负输入端，负载电阻R5的另一端接地，第二级级联放大器的输出端为信号输出端，米勒电容C2的两端分别连接于第二级级联放大器的负输入端和输出端，自举电路连接于第二级级联放大器的正输入端与信号源Ui的正向端间。本发明结构简单，体积较小，成本低，稳定性方面与双运放放大电路相当。

Description

RC前置放大电路

技术领域

本发明涉及一种传感接收电路，特别涉及一种高阻抗输入的RC前置放大电路。

背景技术

在传感器接收电路中，压电式接收传感器是可以对动态力，机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航等方面都到广泛的运用。但此接收传感类型的内阻等效模型是由电阻、电容和电感组成，其阻抗都较大，且随频率变化而变化，此外，一般传感器接收到信号都是很微弱的，为将其微弱信号放大到能被检测的水平时，均需要使用前置放大电路。若将压电式接收传感器直接是使用现有Sallen-Key放大电路或多重反馈放大电路(Multiple Feedback)等作为其前置放大电路，均存在信号内阻与放大器内阻相当问题，这会降低整个放大电路信噪比，同时，这类接收传感器的内阻具有容抗或感抗特性，直接接入放大器，若无源器件(如反馈网络和相位补偿网络的电阻、电容)使用不当很有可能导致整个放大电路的不稳定性。目前对此类信号处理的前置放大有两种方案。一种是在接收传感的输出端接一个几kΩ电阻到地，这种接固定负载做法，在低频段时会有较高信噪比，但在中高频时，负载为电阻，接收信号为内阻是随频率的变化，极有可能导致接收信号内阻和负载电阻相当情况或小于负载情况的，从而降低整个电路的信噪比，另外，下拉到地的几kΩ电阻的负载，在中高频放大时，由于其负载电阻的热噪声很有可能和放大器噪声密度相当水平，这也会额外造成整个信号误差。另一种是用增加一级集成运放来替代上述的几kΩ接地负载，它虽能解决其高输入阻抗问题，但这需额外使用集成运放芯片，会增加整个设计成本。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出了一种新的低成本、宽带宽的RC前置放大电路，既能有效解决增加一级集成运放芯片成本问题，还能有效抑制噪声和实现微弱信号放大的目的。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种RC前置放大电路，包括信号源Ui、第一级级联三极管(1)、第二级级联放大器(2)、自举电路(3)、负载电组R5、米勒电容C2和级联负反馈通路(4)，所述第一级级联三极管(1)的基极连接信号源Ui的正向端，所述第一级级联三极管(1)的发射极与所述级联负反馈电路(4)的输出端连接，所述级联负反馈电路(4)的输入端连接于所述第二级级联放大器(2)的输出端，所述第一级级联三极管(1)的集电极分别连接于所述负载电阻R5的一端及所述第二级级联放大器(2)的负输入端，所述负载电阻R5的另一端接地，所述第二级级联放大器(2)的输出端为信号输出端，所述米勒电容C2的两端分别连接于所述第二级级联放大器(2)的负输入端和输出端，所述自举电路(3)连接于所述第二级级联放大器(2)的正输入端与所述信号源Ui的正向端间。

根据本发明的RC前置放大电路，负载电阻R5既是作为第一级级联三极管(1)输出负载又是作为第二级级联的放大器(2)输入匹配噪声电阻，通过级联负反馈通路(4)可提高第二级级联放大器(2)的相位裕度、展宽频带，即实现大反馈量的宽通频带的稳定性，从而实现宽带宽的稳定放大增益，而米勒电容C2可提供高通通路和相位补偿，整个电路仅仅使用一个放大器，结构简单，体积较小，成本低。

进一步的，根据本发明上述实施例的RC前置放大电路，所述负反馈电路(4)包括电容C1、电阻R1和电阻R2，其中电容C1的一端接地、另一端连接于电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别与所述的第一级级联三极管(1)的发射极和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接于所述第二级级联放大器(2)的输出端连接。

根据本发明的一个具体实施例，所述电阻R1值范围为100Ω～5kΩ，电阻R2值范围为1kΩ～20kΩ，C1值范围为10nF～470nF。

进一步的，根据本发明上述实施例的RC前置放大电路，所述自举电路包括电容C3、电阻R3、电阻R4，其中电阻R3的一端连接信号源Ui的正向端、另一端与所述第二级级联放大器(2)的正向输入端连接，所述电阻R4的一端接地、另一端与所述第二级级联放大器(2)的正向输入端连接，所述电容C3的一端接地、另一端与所述第二级级联放大器(2)的正向输入端连接。

根据本发明的一个具体实施例，电阻R3的阻值范围为6.8kΩ～100kΩ。

根据本发明的一个具体实施例，所述电阻R4的阻值范围为200Ω～3.16kΩ，所述电容C3的电容值范围为3.3nF～4.7uF。

进一步的，所述信号源Ui的频率介于1kHz～100kHz之间，幅值介于1mVpp～50mVpp之间。

进一步的，所述第二级级联放大器2的增益带宽大于等于4.5MHz。

进一步的，所述电阻R5值范围为200Ω～3.16kΩ。

进一步的，所述米勒电容C2值范围为10pF～1nF。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1、第一级级联采用三极管作为有源滤波器的核心输入器件，以集成运放作为第二级级联的通频带缓冲输出，同时，配以电阻和电容实现外围补充，使得通频带内增益的性稳定和输入阻抗都较高，而输出阻抗较低，这样，滤波器在实现稳定滤波的基础上，还兼有放大和缓冲作用；

2、使用三极管结构替代现有前置放大电路中常使用的双运放放大电路中一个集成放大器，其结构简单，体积较小，成本低，稳定性方面与双运放放大电路相当；

3、采用滤波电阻R4和滤波电容C3并联接入第二级级联的放大器(2)的正向端与地之间，进一步除去干扰信号，使滤波效果更理想；

4、级联负反馈电路(4)的电阻R1与C1串联接电阻R2的连接关系，可提高级联放大器的相位裕度、展宽频带，从而可实现宽带宽的稳定放大增益。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的RC前置放大电路的结构示意图；

图2示出了根据本发明的前置放大路具体实施例的实现效果仿真结果示意图；

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1，对根据本发明的实施例的RC前置放大电路进行具体说明。

如图1所示，根据本发明的实施例的RC前置放大电路包括信号源Ui、第一级级联三极管(1)、第二级级联放大器(2)、自举电路(3)、负载电组R5、米勒电容C2和级联负反馈电路(4)，所述第一级级联三极管(1)的基极连接信号源Ui的正向端，所述信号源Ui的负向端接地，所述第一级级联三极管(1)的发射极与所述级联负反馈电路(4)的输出端连接，所述级联负反馈电路(4)的输入端连接于所述第二级级联放大器(2)的输出端，所述第一级级联三极管(1)的集电极分别连接于所述负载电阻R5的一端及所述第二级级联放大器(2)的负输入端，所述负载电阻R5的另一端接地，所述第二级级联放大器(2)的输出端为信号输出端，所述米勒电容C2的两端分别连接于所述第二级级联放大器(2)的负输入端和输出端，所述自举电路(3)连接于所述第二级级联放大器(2)的正输入端与所述信号源Ui的正向端间。负反馈电路(4)包括电容C1、电阻R1和电阻R2，其中电容C1的一端接地、电容C1另一端连接于电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别与所述的第一级级联三极管(1)的发射极和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接于所述第二级级联放大器(2)的输出端连接。所述自举电路包括电容C3、电阻R3、电阻R4，其中电阻R3的一端连接信号源Ui的正向端、电阻R3另一端与所述第二级级联放大器(2)的正向输入端连接，所述电阻R4的一端接地、电阻R4另一端与所述第二级级联放大器(2)的正向输入端连接，所述电容C3的一端接地、电容C3另一端与所述第二级级联放大器(2)的正向输入端连接。

本RC前置放大电路中，第一级级联采用三极管(1)作为有源滤波器Ui的核心输入器件，以集成运放作为第二级级联的通频带缓冲输出，同时，配以电阻和电容实现外围补充，使得通频带内增益的性稳定和输入阻抗都较高，而输出阻抗较低，这样，滤波器在实现稳定滤波的基础上，还兼有放大和缓冲作用；使用三极管结构替代现有前置放大电路中常使用的双运放放大电路中一个集成放大器，其结构简单，体积较小，成本低，稳定性方面与双运放放大电路相当；阻R4和电容C3并联接入第二级级联的放大器(2)的正向端与地之间，起到滤波作用，进一步除去干扰信号，使滤波效果更理想；级联负反馈电路(4)的电阻R1与电容C1串联后接电阻R2的连接关系，可提高级联放大器的相位裕度、展宽频带，从而可实现宽带宽的稳定放大增益。

具体的，根据本发明的一个具体实施例，所述的信号源Ui是频率介于1kHz～100kHz之间，幅值介于1mVpp～50mVpp之间，第一级级联三极管1要求为PNP三极管，参数与常用2N3906，BC856等相当均可；

所述第二级级联的放大器(2)为增益带宽大于4.5MHz的集成放大器，如常用的LM358，LM2904等均满足此要求；

所述的自举电路3中为减小电阻R3对自举电路3偏置电压和接收信号Ui的影响，电阻R3值不宜过小或过大，阻值范围在6.8kΩ～100kΩ；

所自举电路3中，电阻R4和电容C3起低频滤波作用，消除自举电路直流偏置携带的高频干扰，电阻R4的阻值范围为200Ω～3.16kΩ，所述电容C3的电容值范围为3.3nF～4.7uF。

所述的级联负反馈通路4由电阻R2、电阻R1和电容C1构成通频带反馈通路，运用电阻R1与C1串联接电阻R2的连接关系，可提高级联放大器的相位裕度、展宽频带，即实现大反馈量的宽通频带的稳定性，从而实现宽带宽的稳定放大增益。其中，所述的级联负反馈通路4中电组R2和电组R1的大小，决定了整个前置放大电路通带增益，为保障前置放大信号质量和稳定增益，其中电阻R1值范围为100Ω～5kΩ，电阻R2值范围为1kΩ～20kΩ，C1值范围为10nF～470nF。

所述的负载电阻R5，其作用：一是作为第一级级联三极管1输出负载，其二是作为第二级级联的放大器2输入匹配噪声电阻，电阻R5值范围为200Ω～3.16kΩ。

所述米勒电容C2用于提供高通通路和相位补偿，C2值范围为10pF～1nF。

下面就以一个具体的实施例对本发明的效果进行详细说明。选取信号源Ui为，它的频率为40kHz，幅值介于1mVpp～50mVpp之间。要求信号大于增益为20dB，增益带宽大于160kHz，相位裕度大于60°，等效输入噪声密度小于10nV/rtHz。RC前置放大电路中的参数选取为：所述第一级级联三极管(1)为BC856，所述第二级级联的放大器(2)为LM2904，R3＝10kΩ；C3＝22nF，R4＝680Ω；R5＝1kΩ；C2＝220pF；R2＝3kΩ、R1＝200Ω；C1＝100nF。

根据基尔霍夫电流定理可计算出输出与输入之间传递函数，其传递函数H(s)等效表达式为: $H\left(s\right)=\frac{\mathrm{As}+B}{D({\mathrm{Es}}^2+\mathrm{Fs}+T)},$ 其中，

$A=\frac{C1C2R2R1R3R5+C1C2R2R3R5r_{\mathrm{be}}+C1C2R1R3R5r_{\mathrm{be}}+C1C2R2R1R3R5h_{\mathrm{ce}}+C1C3R2R3R4R5h_{\mathrm{ce}}+C1C3R1R3R4R5h_{\mathrm{ce}}}{C1R1}$

B＝R2R3+R3r_be+R2R3h_ce+R3R5h_ce+R4R5h_ce

D＝(R3+R4)R5

E＝C1C2R2R1+C1C2R2r_be+C1C2R1r_be+C1C2R2R1h_ce

F＝C2R2+C2r_be+C2R2h_ce+C1R1h_ce

T＝h_ce

h_ce为三极管的放大倍数，r_be为基集到发射集简单等效电阻。从而根据传递函数可以知道中心频率f₀，品质因数Q，带宽BW，截止f_l和f_h，通频带增益约为23.2dB及相位裕度约为100°(请见附图2)。

$f_0=\frac{1}{\frac{\sqrt{E}}{\sqrt{\frac{B^2}{A^2}\·E+T-\frac{B}{A}\·F}}}\≈40\mathrm{kHz}$

$Q=\frac{1}{\frac{\frac{F}{E}-2\·\frac{B}{A}}{\sqrt{\frac{B^2}{A^2}+\frac{T}{E}-\frac{F}{A}\·\frac{B}{E}}}}\≈0.18$

$\mathrm{BW}=\frac{f_0}{Q}\≈239\mathrm{kHz}$

f_l≈6.7kHz

f_h≈245.7kHz

如图2所示，运用Pspice仿真，等到其等效输入端的噪声密度为8.21nV/RT Hz，小于10nV/RT Hz。因此本发明所提供的是一种低成本、宽带宽的RC前置放大电路，既能有效解决增加一级集成运放芯片成本问题，还能实现抑制噪声和实现微弱信号放大的功能，可使用于压电式接收放大器上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种RC前置放大器电路，包括信号源Ui、第一级级联三极管（1）、第二级级联放大器（2）、自举电路（3）、负载电组R5、米勒电容C2和级联负反馈电路（4），所述第一级级联三极管（1）的基极连接信号源Ui的正向端，所述第一级级联三极管（1）的发射极与所述级联负反馈电路（4）的输出端连接，所述级联负反馈电路（4）的输入端连接于所述第二级级联放大器（2）的输出端，所述第一级级联三极管（1）的集电极分别连接于所述负载电阻R5的一端及所述第二级级联放大器（2）的负输入端，所述负载电阻R5的另一端接地，所述第二级级联放大器（2）的输出端为信号输出端，所述米勒电容C2的两端分别连接于所述第二级级联放大器（2）的负输入端和输出端，所述自举电路（3）连接于所述第二级级联放大器（2）的正输入端与所述信号源Ui的正向端间。

2.根据权利要求1所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述负反馈电路（4）包括电容C1、电阻R1和电阻R2，其中电容C1的一端接地、另一端连接于电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别与所述的第一级级联三极管（1）的发射极和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接于所述第二级级联放大器（2）的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述电阻R1值范围为100Ω~5kΩ，电阻R2值范围为1kΩ~20kΩ，C1值范围为10nF~470nF。

4.根据权利要求1所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述自举电路包括电容C3、电阻R3、电阻R4，其中电阻R3的一端连接信号源Ui的正向端、另一端与所述第二级级联放大器（2）的正向输入端连接，所述电阻R4的一端接地、另一端与所述第二级级联放大器（2）的正向输入端连接，所述电容C3的一端接地、另一端与所述第二级级联放大器（2）的正向输入端连接。

5.根据权利要求4所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述电阻R3的阻值范围为6.8 kΩ~100 kΩ。

6.根据权利要求4所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述电阻R4的阻值范围为200Ω~3.16 kΩ，所述电容C3的电容值范围为3.3nF~4.7uF。

7.根据权利要求1至6任一所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述信号源Ui的频率介于1kHz~100kHz之间，幅值介于1mVpp~50mVpp之间。

8.根据权利要求1至6任一所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述第二级级联放大器2的增益带宽大于等于4.5MHz。

9.根据权利要求1至6任一所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述电阻R5值范围为200Ω~3.16 kΩ。

10.根据权利要求1至6任一所述的RC前置放大器电路，其特征在于所述米勒电容C2值范围为10pF~1nF。