CN109861647A - 一种低噪声高精度放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低噪声高精度放大电路，包括运算放大器和第一电阻(R1)，还包括第一电容(C1)；其中所述运算放大器包括同相输入端(V+)、反相输入端(V‑)以及输出端(Uo)；所述第一电阻(R1)和第一电容(C1)并联连接，两端分别连接到所述运算放大器的反相输入端(V‑)和输出端(Uo)上，所述运算放大器的同相输入端(V+)接地。本发明还公开了一种利用上述低噪声高精度放大电路的红外触摸屏。利用本发明的上述方案，可以将传统电路噪声强度降低为原来的四分之一，提高信噪比，增加电路的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种低噪声高精度I-V放大电路。
背景技术
现有的I-V放大电路，采用常规运放，将各类传感器产生的电流信号转变为电压信号。典型电路形式如图1所示。因为其输入电流信号Ii通常为传感器转换而来，所以信号强度多在uA或nA级，当应用的领域是小信号检测时，例如二极管光电检测电路，噪声所带来影响就不能不考虑。
结合图1中所示的元器件，D代表一种感光元器件(光电二极管)，当光线强度增高，器件会产生更高的电流，R带表一种电阻元件，当电流流过电阻元件，根据欧姆定律会在电阻两端产生电压。OPA是一种运算放大器，其功能是将输入信号按一定倍数放大，而放大的数值则由电阻R决定。
噪声通常有两部分组成：一是直流偏置电流和输入失调电压所引入的直流噪声，另一方面是还包括交流噪声。如果对噪声处理不当，所设计电路信噪比偏低，轻则很难在信号中提取有效信号，重则会影响电路性能，产生非预期的结果。
因为感光元器件D产生电流太小，所以在OPA器件的输入电阻偏低时，那么电流信号Ii会通过输入电阻分流减小，有用信号被衰减，另一方面，OPA器件的反向输入端(标有“-”号的一端)也会输出一定的电流，这部分电流也会叠加到有用信号之上，这样一来，噪声信号又得到了增强。光电二极管D存在等效电阻，势垒电容和扩散电容叠加形成的结电容，OPA器件存在输入电阻，电阻R也会因为布线存在杂散电容，因此，噪声影响会因为这些寄生参数而被放大，会产生明显的噪声尖峰。
如图2所示，典型光电二极管感应电流的曲线图，从图中我们可以看到竖坐标为感应电流，其值范围在uA级非常小，所以如果叠加的噪声信号偏大，那么将会完全取代原始信号的值，使电路失去作用。
曾使用传统电路测量光信号在玻璃中的多次反射，因为光信号在多次反射中信号衰减严重，光电接收电路感应到的信号非常弱，所以检测阈值设置比较低，由于半导体器件的热噪声以及一些其他参数所引入的噪声会产生噪声尖峰，当尖峰的幅值超过有效信号的阈值，系统就认为产生有效触发，这种误触发会影响测量结果。图3为图1所示的实际电路测出来的波形图。
传统电路很难在现有的条件下提高信噪比，一方面包括外部的干扰噪声，另一方面也包括器件内部的固有噪声，即使PCB布局，布线考虑周密，也无法避免器件内部产生的噪声。因此选择高输入阻抗的运算放大器以及在外围电路设计中增加降噪器件才能降低噪声所带来的干扰。但是高输入阻抗放大器的成本非常高，一般是普通放大器成本的3-5倍，有的甚至是几十倍。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本、低噪声高精度放大电路。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低噪声高精度放大电路，包括运算放大器和第一电阻R1，还包括第一电容C1；其中所述运算放大器包括同相输入端V+、反相输入端V-以及输出端Uo；所述第一电阻R1和第一电容C1并联连接，两端分别连接到所述运算放大器的反相输入端V-和输出端Uo上，所述运算放大器的同相输入端V+接地。
优选地，还包括第二电阻R2和第二电容C3，其中，第二电阻R2 的一端接第一电容C1、第一电阻R1和第二电容C3，另一端接运算放大器的输出端；所述第二电容C3一端接第一电容C1、第一电阻R1和第二电阻R2，另一端接地。
优选地，还包括第三电容C2，所述第三电容C2的一端接运算放大器的反相输入端V-，另一端接接第二电阻R2和运算放大器的输出端。
优选地，所述第一电容C1的取值范围在几十nF到几百nF之间。
优选地，所述第二电容C3取值10nF左右。
优选地，所述第三电容C2为pF级别电容。
本发明还提供一种红外触摸屏，包括所述的低噪声高精度放大电路。
利用本发明的上述方案，可以将传统电路噪声强度降低为原来的四分之一，提高信噪比，增加电路的可靠性。
附图说明
图1为现有的I-V放大电路原理示意图；
图2为典型光电二极管感应电流的曲线图；
图3为图1所示实际电路测出来的波形图；
图4为本发明第一实施例放大电路原理示意图；
图5为第一实施例实际电路测得的波形图；
图6为本发明第二实施例放大电路原理示意图；
图7为第二实施例实际电路测得的波形图；
图8为本发明另一优选实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明第一实施例的放大电路如图4所示，包括运算放大器OPA、电阻R1和电容C1；其中运算放大器OPA包括同相输入端V+、反相输入端V-以及输出端Uo；所述电阻R1和电容C1并联连接，两端分别连接到所述运算放大器OPA的反相输入端V-和输出端Uo上，所述运算放大器 OPA的同相输入端V+接地；放大电路的应用效果同样以放大光电二极管D的信号为例进行说明，
光电二极管D一端接地，另一端接电阻R1、电容C1、和运算放大器OPA反相输入端V-。
增加的电容C1可以降低运算放大器OPA对噪声放大的尖峰脉冲，信号失真较小，图5为实际电路测得的波形图。
对比图3和图5可以发现，相同时基下测量的原始数据中，传统电路中夹杂了许多噪声，而且有些噪声尖峰明显，改进后的电路虽然因为外界光不稳，感应波形也有些浮动，但是可以看出波形上面少了很多噪声，有用信号干净更方便后级放大等操作。
图4所示电路在传统电路中增加了C1，这样降低运算放大器对噪声放大的尖峰脉冲，可以使得放大电路的后级获得更好的输入信号，但是缺点是输出信号上依然会叠加些许高频噪声。
作为更优方案的第二实施例，如图6所示，在第一实施例的基础上又增加了一个电阻R2和一个电容C3，组成的低通滤波环节电路，电阻 R2一端接电容C1、电阻R1和电容C3，另一端接运算放大器OPA的输出端，电容C3一端接电容C1、电阻R1和电阻R2，另一端接地；可以通过改变电阻R2和电容C3的参数以适应具体电路的具体频率，这样使电路提高了一定的信噪比，图7为实际电路测得的波形图。
在实际应用中，运放电路内部经常包括多级放大电路，若电路满足自激震荡的条件，则会产生无输入有输出的情况，这样导致放大电路完全不能正常工作，为了避免这种问题的发射，可以在图6的基础上增加电容C2用于相位补偿，减小自激震荡的可能性。电容C2一端接运算放大器OPA反相输入端，另一端接接电阻R2和运算放大器的输出端。
实际应用中，综合考虑各个电子器件的参数值，设计中电容C2作为密勒补偿电容，其值一般在pF级别，而电容C1作为主要去除电压尖峰，信号变化率较快，能量较小，因此其值也不应太大一般在十几pF，在电子电路设计中，即使电路形式类似，但元器件的取值不同，其决定的功能也大相径庭，例如积分电路中相同位置的电容C1，其取值范围一般在几十nF到几百nF。电阻R2和电容C3作为滤波环节，电容C3取值10nF通常是可取值，在10nF左右均可，然后根据信号频率调节电阻 R2，根据设计阻值一般为1K左右。
本发明的放大电路应用到红外触摸屏中能获得很好的信号处理效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种低噪声高精度放大电路，包括运算放大器和第一电阻(R1)，其特征在于，还包括第一电容(C1)；其中所述运算放大器包括同相输入端(V+)、反相输入端(V-)以及输出端(Uo)；所述第一电阻(R1)和第一电容(C1)并联连接，两端分别连接到所述运算放大器的反相输入端(V-)和输出端(Uo)上，所述运算放大器的同相输入端(V+)接地。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声高精度放大电路，其特征在于，还包括第二电阻(R2)和第二电容(C3)，其中，第二电阻(R2)的一端接第一电容(C1)、第一电阻(R1)和第二电容(C3)，另一端接运算放大器的输出端；所述第二电容(C3)一端接第一电容(C1)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种低噪声高精度放大电路，其特征在于，还包括第三电容(C2)，所述第三电容(C2)的一端接运算放大器的反相输入端(V-)，另一端接接第二电阻(R2)和运算放大器的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种低噪声高精度放大电路，其特征在于，所述第一电容(C1)的取值范围在几十nF到几百nF之间。
5.根据权利要求2所述的一种低噪声高精度放大电路，其特征在于，所述第二电容(C3)取值10nF左右。
6.根据权利要求3所述的一种低噪声高精度放大电路，其特征在于，所述第三电容(C2)为pF级别电容。
7.一种红外触摸屏，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的低噪声高精度放大电路。
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