CN108964624A - 一种热释电红外传感器的前置电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热释电红外传感器的前置电路，通过改变选取信号的引脚，取热释电红外传感器中N沟道结型场效应管的漏极D引脚作为信号输出端，输出电流信号；本发明在对此电流信号的处理中，利用可调基准电压模块将静态直流量消除，通过运算放大器U1及其反馈电路T型放大电路模块完成电流信号到电压信号的转换，提高信号信噪比，并通过滤波放大电路模块进行信号滤波及信号放大；本发明消除了电压信号在较远距离传输时带来的信号干扰，提高了信号的抗干扰能力，可以保证在大大提高热释电红外传感器交流信号放大倍数的同时，使直流电流的放大倍数远远小于交流信号，从而提高电路的抗温漂能力。
Description
技术领域
本发明涉及热释电传感器电子技术领域，具体适用于一种热释电红外传感器的前置电路。
背景技术
以热释电红外传感器为核心的探测系统在工业生产中有着广泛的应用。由于热释电红外传感器的响应信号十分微弱，因而其前置电路设计十分关键。目前，热释电红外传感器的前置电路一般为电压式读取形式，即以传感器作为电压源，输出电压信号。其原理为利用热释电红外传感器内部的场效应管来完成阻抗变换，将热释电探测元微弱的电流信号转换为电压信号输出。但电压信号传输的抗干扰能力较弱，而且当传感器与信号处理电路之间的信号传输线较长时会产生压降影响信号的信噪比。
热释电红外传感器由滤光片、热释电探测元和前置放大器组成。热释电红外传感器的滤光片为带通滤光片，它封装在传感器壳体的顶端，使特定波长的红外辐射选择性地通过、到达热释电探测元，而在其截止范围外的红外辐射则不能通过。热释电探测元是热释电红外传感器的核心元件，它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极化制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外光照射时，产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生改变，从而产生电信号。由于非恒定强度的红外光一般为用斩波器实现的脉冲式光信号，故要处理的热释电红外传感器电信号为交流电信号。前置放大器由N沟道结型场效应管接成共漏形式即源极跟随器，为保证N沟道结型场效应管能正常工作，应在其栅-源极之间加负向电压，以保证耗尽层承受反向电压。在漏-源极之间加正向电压，以形成漏极电流。栅-源极之间负向电压越大，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，导电沟道越窄，沟道电阻变大，漏极电流iD越小；相反，若栅-源极之间负向电压越小，则耗尽区就越薄，导电沟道越宽，沟道电阻变小，漏极电流iD越大。因此实现了场效应管的栅-源极间负向电压对沟道电流的控制。当栅极施加一定的电压时，漏极和源极的电阻减小，器件的漏极电流信号就会增大。
发明内容
本发明的目的是为解决现有热释电红外传感器前置放大电路的不足，提供一种抗干扰能力强、可适用于较远距离信号传输的热释电红外传感器的前置电路。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种热释电红外传感器的前置电路，其特征在于，包括热释电接口模块、运算放大器U1、T型放大电路模块、可调节基准电压模块和滤波放大电路模块；热释电接口模块包括热释电红外传感器，热释电红外传感器当作电流源，热释电接口模块取热释电红外传感器漏极D输出的电流信号为信号输出端，热释电红外传感器漏极D与运算放大器U1的反相输入端相连接的同时与T型放大电路模块相串联；T型放大电路模块作为所述的运算放大器U1的反馈电路，并联连接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间；可调节基准电压模块一端与运算放大器U1的同相输入端相连接，另一端与热释电红外传感器漏极D相连接并同时与T型放大电路模块以及运算放大器U1的反相输入端相连接；滤波放大电路模块的信号输入端与运算放大器U1的输出端相连接，滤波放大电路模块的信号输出端为该热释电红外传感器的前置电路的最终信号输出端。
进一步的技术方案包括：
所述的热释电接口模块还包括偏置电阻R1和有极性的滤波电容C1；偏置电阻R1和滤波电容C1并联后，滤波电容C1的正极连接在热释电红外传感器的源极S，滤波电容C1的负极接地，热释电传感器的栅极G直接接地；热释电红外传感器的漏极D作为热释电红外传感器的信号输出端。
所述的T型放大电路模块以T型结构连接的三个电阻R2、R3、R4为核心，上述三个电阻的第一引脚连接于同一点，第一个电阻R2的第二引脚与上述运算放大器U1的反相输入端相连接的同时与热释电红外传感器的漏极D相连，第二个电阻R3的第二引脚与上述运算放大器U1的输出端相连接，第三个电阻R4的第二引脚与一个有极性电容C3的正极相连，该有极性电容C3的负极与第二个有极性电容C4的负极相连，有极性电容C4的正极接地；无极性电容C2的两端分别连接在第一个电阻R2的第二引脚和第二个电阻R3的第二引脚处。
可调节基准电压模块为一个基准电压源、一个运算放大器U2的反馈电路组成的信号放大电路；其中，基准电压源由正电源、稳压管D1、一个电阻R8、一个有极性电容C7以及一个无极性电容C6构成；稳压管D1的负极与电阻R8一端连接后，电阻R8另一端连接到正电源，稳压管D1的正极接地；有极性电容C7与无极性电容C6并联连接后再与稳压管D1相并联，其中有极性电容C7的正极与稳压管D1负极相连接；稳压管D1的负极作为电压信号输出端分别与运算放大器U1的同相输入端以及运算放大器U2的同相输入端相连接；运算放大器U2的反馈电路由一个电阻R6及一个滑动变阻器W1串联后并联于运算放大器U2的反相输入端与输出端之间构成，其中滑动变阻器W1的第二引脚与第三引脚相连接；一个电阻R7的第一引脚连接运算放大器U2的反相输入端，电阻R7的第二引脚接地；运算放大器U2的输出端串联一个电阻R5，电阻R5的另一端与热释电红外传感器的漏极D相连接、并连接到运算放大器U1的反相输入端以及T型放大电路模块中电阻R2的第二引脚处。
所述的滤波放大电路模块包括一个运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端与运算放大器U1的输出端之间串联连接一个无极性电容C8和一个无极性电容C9；其中，无极性电容C8和无极性电容C9之间连接电阻R9的第一引脚，电阻R9的第二引脚接地；无极性电容C9与运算放大器U3的同相输入端之间连接电阻R10的第一引脚，电阻R10的第二引脚接地；电阻R11与滑动变阻器W2串联后再与无极性电容C5并联连接，作为反馈电路连接于运算放大器U3的反相输入端与输出端之间；其中，滑动变阻器W2的第二引脚与第三引脚相连接；一个电阻R12的第一引脚连接运算放大器U3的反相输入端，电阻R12的第二引脚接地；运算放大器U3的输出端即该热释电红外传感器的前置电路的最终信号输出端。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种可适应于热释电信号远距离传输的热释电红外传感器的前置电路。本发明中的热释电接口模块通过改变统的热释电红外传感器信号输出端的连接方式，取其漏极D作为信号输出端，将现行的热释电红外传感器的电路设计结构由电压源结构改为电流源结构。此方法消除了电压信号在远距离传输时带来的信号干扰，提高了信号的抗干扰能力。
2、本发明中的T型放大电路模块中的T型电阻电路，三个电阻呈T型连接结构。T型电阻电路的接地一端通过串联加入两个反向连接的有极性电容的形式，可以保证大大提高热释电红外传感器交流信号放大倍数的同时，使直流电流的放大倍数远远小于交流信号，从而提高电路的抗温漂能力。
3、本发明中的可调节基准电压模块中，其中的基准电压源连接在运算放大器U1的同相输入端，可为热释电红外传感器提供工作电流，同时连接在运算放大器U2的同相输入端，为可调节电流提供电压。可调节基准电压模块输出的可调节电流信号通过电阻R5流回到热释电红外传感器的漏极D，可大大消除N沟道结型场效应管的偏置电阻带来的直流分量，同时通过调节滑动变阻器W1的阻值可手动调节流回热释电红外传感器的电流大小，从而消除电路中电子元器件存在的差异性。
4、本发明中的滤波放大电路模块，通过二阶R-C滤波电路进一步滤除电路中残留的直流分量以及低频噪声。运算放大器的反馈电路由一个电阻串联一个滑动变阻器而成，通过调节电阻可保证电压在不超出其他芯片可承受电压范围的情况下最大限度的进行信号放大。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种热释电红外传感器的前置电路的电路结构示意框图；
图2为本发明所述的一种热释电红外传感器的前置电路中的热释电接口模块的电路图；
图3为本发明所述的一种热释电红外传感器的前置电路中的T型放大电路模块的电路图；
图4为本发明所述的一种热释电红外传感器的前置电路中的可调节基准电压模块与运算放大器U1的电路图；
图5为本发明所述的一种热释电红外传感器的前置电路中的滤波放大电路模块的电路图；
图6为本发明所述的一种热释电红外传感器的前置电路的总体电路设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
一种热释电红外传感器的前置电路，如图1所示，包括热释电接口模块、运算放大器U1、T型放大电路模块、可调节基准电压模块和滤波放大电路模块；热释电接口模块包括热释电红外传感器，在无红外光信号照射的情况下，热释电红外传感器中的场效应管处于静态工作状态，此时场效应管有静态工作电流，通过可调节基准电压模块调节电流大小，并使用示波器观测到运算放大器U1的直流分量为零时，即与上述静态工作电流相抵消；在红外光信号照射的情况下，待测红外光信号通过热释电红外传感器中热释电探测元的感应，将待测光信号转化为电信号；热释电红外传感器中的前置放大器为N沟道结型场效应管，在热释电接口模块中取热释电红外传感器的漏极电流为电路的处理信号，可加强抗干扰能力，适应于热释电信号的远距离传输；运算放大器U1可将电流信号转化为电压信号，完成阻抗转换；T型放大电路模块连接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间，作为反馈电路，可以提高信噪比；可调节基准电压模块可以消除由于偏置电阻R1为场效应管提供工作电压时引入的直流分量；滤波放大电路模块进行滤波处理，并通过滑动变阻器可最大限度的进行信号放大。
热释电接口模块的电路图如图2所示，热释电接口模块是以热释电红外传感器为核心的，其中热释电红外传感器的输出引脚分别为漏极D、源极S以及栅极G；漏极D作为热释电红外传感器的信号输出端，将热释电红外传感器当作电流源，取电流信号为输出信号，与运算放大器U1的反相输入端相连接；偏置电阻R1与有极性的滤波电容C1并联后，滤波电容C1的正极连接在热释电红外传感器的源极S，滤波电容C1的负极接地；热释电传感器的栅极G直接接地。
T型放大电路模块的电路图如图3所示，T型放大电路模块连接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间，作为运算放大器U1的反馈电路；在T型放大电路模块中，电阻R2、R3、R4呈T型连接结构，上述三个电阻的第一引脚共同连接于一点，电阻R2的第二引脚与运算放大器U1的反相输入端以及热释电红外传感器的漏极D相连接，电阻R3的第二引脚与运算放大器U1的输出端相连接，电阻R4的第二引脚与一个有极性电容C3的正极相连，该有极性电容C3的负极与第二个有极性电容C4的负极相连，有极性电容C4的正极接地；在电阻R2的第二引脚与电阻R3的第二引脚之间连接一个电容C2，与电阻R2和R3并联连接，以滤除低频噪声。
可调节基准电压模块的电路图如图4所示，可调节基准电压模块包括一个基准电压源、一个运算放大器U2的反馈电路组成的信号放大电路；可调节基准电压模块中的基准电压源以稳压管D1为核心，稳压管D1的负极与电阻R8串联后连接到正电源，稳压管D1的正极直接接地；一个有极性的滤波电容C7与无极性的滤波电容C6并联连接后，再与稳压管D1相并联，其中有极性电容C7的正极与稳压管D1的负极相连接；稳压管D1的负极作为电压信号输出端，分别与上述运算放大器U1的同相输入端及上述运算放大器U2的同相输入端相连接；可调节基准电压模块中的运算放大器U2的反馈电路由电阻R6与滑动变阻器W1串联而成，连接于运算放大器U2的反相输入端及输出端之间，其中滑动变阻器W1的第二引脚与第三引脚连接在一起，电阻R7第一引脚连接在运算放大器U2的反相输入端，第二引脚接地；运算放大器U2的输出端连接电阻R5的第一引脚，电阻R5的第二引脚与运算放大器U1的反相输入端连接的同时与T型放大电路模块中电阻R2的第二引脚和热释电红外传感器的漏极D相连接,将直流信号送入热释电红外传感器的漏极D，通过调节滑动变阻器W1调节运算放大器U2输出的电流，从而消除信号中的直流分量。
滤波放大电路模块的电路图如图5所示，滤波放大电路模块包括一个运算放大器U3，运算放大器U3的反馈电路为一个电阻R11与一个滑动变阻器W2串联，连接在运算放大器U3的反相输入端与输出端之间，同时无极性电容C5作为运算放大器U3的反馈电容与电阻R11和滑动变阻器W2并联，其中滑动变阻器W2的第二引脚与第三引脚连接在一起，运算放大器U3的反相输入端连接电阻R12的第一引脚，电阻R12的第二引脚接地；运算放大器U3的同相输入端与上述运算放大器U1的输出端之间串联连接一个无极性电容C8和一个无极性电容C9，其中无极性电容C8的第一引脚连接运算放大器U1，第二引脚在连接无极性电容C9的第一引脚的同时与电阻R9的第一引脚相连，电阻R9的第二引脚接地；无极性电容C9的第二引脚在与运算放大器U3的同相输入端相连接的同时与电阻R10的第一引脚相连接，电阻R10的第二引脚接地；运算放大器U3的输出端即该热释电红外传感器的前置电路的最终信号输出端；该滤波放大电路可滤除掉之前电路未滤除干净的少量直流分量及信号中的低频噪声且可通过调节滑动变阻器W2保证前置电路能进行最大限度的信号放大。
上述各模块构成如图6所示的本发明所述的一种热释电红外传感器的前置电路。
Claims (5)
1.一种热释电红外传感器的前置电路，其特征在于，包括热释电接口模块、运算放大器U1、T型放大电路模块、可调节基准电压模块和滤波放大电路模块；热释电接口模块包括热释电红外传感器，热释电红外传感器当作电流源，热释电接口模块取热释电红外传感器漏极D输出的电流信号为信号输出端，热释电红外传感器漏极D与运算放大器U1的反相输入端相连接的同时与T型放大电路模块相串联；T型放大电路模块作为所述的运算放大器U1的反馈电路，并联连接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间；可调节基准电压模块一端与运算放大器U1的同相输入端相连接，另一端与热释电红外传感器漏极D相连接并同时与T型放大电路模块以及运算放大器U1的反相输入端相连接；滤波放大电路模块的信号输入端与运算放大器U1的输出端相连接，滤波放大电路模块的信号输出端为该热释电红外传感器的前置电路的最终信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种热释电红外传感器的前置电路，其特征在于，所述的热释电接口模块还包括偏置电阻R1和有极性的滤波电容C1；偏置电阻R1和滤波电容C1并联后，滤波电容C1的正极连接在热释电红外传感器的源极S，滤波电容C1的负极接地，热释电传感器的栅极G直接接地；热释电红外传感器的漏极D作为热释电红外传感器的信号输出端。
3.根据权利要求2所述的一种热释电红外传感器的前置电路，其特征在于，所述的T型放大电路模块以T型结构连接的三个电阻R2、R3、R4为核心，上述三个电阻的第一引脚连接于同一点，第一个电阻R2的第二引脚与上述运算放大器U1的反相输入端相连接的同时与热释电红外传感器的漏极D相连，第二个电阻R3的第二引脚与上述运算放大器U1的输出端相连接，第三个电阻R4的第二引脚与一个有极性电容C3的正极相连，该有极性电容C3的负极与第二个有极性电容C4的负极相连，有极性电容C4的正极接地；无极性电容C2的两端分别连接在第一个电阻R2的第二引脚和第二个电阻R3的第二引脚处。
4.根据权利要求3所述的一种热释电红外传感器的前置电路，其特征在于，可调节基准电压模块为一个基准电压源、一个运算放大器U2的反馈电路组成的信号放大电路；其中，基准电压源由正电源、稳压管D1、一个电阻R8、一个有极性电容C7以及一个无极性电容C6构成；稳压管D1的负极与电阻R8一端连接后，电阻R8另一端连接到正电源，稳压管D1的正极接地；有极性电容C7与无极性电容C6并联连接后再与稳压管D1相并联，其中有极性电容C7的正极与稳压管D1负极相连接；稳压管D1的负极作为电压信号输出端分别与运算放大器U1的同相输入端以及运算放大器U2的同相输入端相连接；运算放大器U2的反馈电路由一个电阻R6及一个滑动变阻器W1串联后并联于运算放大器U2的反相输入端与输出端之间构成，其中滑动变阻器W1的第二引脚与第三引脚相连接；一个电阻R7的第一引脚连接运算放大器U2的反相输入端，电阻R7的第二引脚接地；运算放大器U2的输出端串联一个电阻R5，电阻R5的另一端与热释电红外传感器的漏极D相连接、并连接到运算放大器U1的反相输入端以及T型放大电路模块中电阻R2的第二引脚处。
5.根据权利要求4所述的一种热释电红外传感器的前置电路，其特征在于，所述的滤波放大电路模块包括一个运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端与运算放大器U1的输出端之间串联连接一个无极性电容C8和一个无极性电容C9；其中，无极性电容C8和无极性电容C9之间连接电阻R9的第一引脚，电阻R9的第二引脚接地；无极性电容C9与运算放大器U3的同相输入端之间连接电阻R10的第一引脚，电阻R10的第二引脚接地；电阻R11与滑动变阻器W2串联后再与无极性电容C5并联连接，作为反馈电路连接于运算放大器U3的反相输入端与输出端之间；其中，滑动变阻器W2的第二引脚与第三引脚相连接；一个电阻R12的第一引脚连接运算放大器U3的反相输入端，电阻R12的第二引脚接地；运算放大器U3的输出端即该热释电红外传感器的前置电路的最终信号输出端。
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