CN109873611A - 用于柔性制造薄膜张力信号检测的小信号低噪声放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性制造技术相关领域，并公开了一种用于柔性制造薄膜张力信号检测的小信号低噪声放大电路，其包括信号滤波电路、第一级放大电路、第二级放大电路和电源滤波电路，其中第一级放大电路采用三段差分共射级联结构，在输入端进行噪声匹配设计，并采用电压并联负反馈稳定电路增益；第二级放大电路采用差动放大器结构，将差分信号转换为单端信号并进一步放大。通过本发明，可在输入端进行噪声匹配，采用差分级联负反馈结构并优选低噪声集成运放和分立元件，能够有效减小差分输入小信号放大电路自身的噪声干扰，提高了小信号的信噪比，因而尤其适用于柔性制造薄膜张力检测之类的应用场合。

Description

用于柔性制造薄膜张力信号检测的小信号低噪声放大电路

技术领域

本发明属于柔性制造技术相关领域，更具体地，涉及一种用于柔性制造薄膜张力信号检测的小信号低噪声放大电路。

背景技术

柔性制造设备中往往需要对卷到卷之类的输送薄膜的张力进行准确的检测。在实际测量中，一般通过使用拉压力传感器测量薄膜反力，进而计算得到薄膜的实际张力。由于传感器输出为mV级差分小信号且检测精度要求较高，故需要对输出信号进行低噪声放大。根据级联放大器的噪声系数公式，多级放大器的噪声主要取决于第一级的噪声，故低噪声放大的研究主要集中在前置放大器的设计上。

近年来国内外对信号的低噪声处理方案进行了一些研究，现有差分信号低噪声处理方案大多采用三运放仪表放大器结构，放大电路的噪声主要取决于集成运放的噪声。例如，CN201410831527.9公布了一种低压差分信号发送器，采用MOS管进行设计，可以实现差分信号的低噪声放大，并能一定程度减小共模噪声。

然而，进一步的研究表明，现有方案仍具备以下的缺陷或不足：首先，现有低噪声处理电路大多只接受单端输入信号，难以满足柔性制造过程中薄膜张力信号检测过程中传感器输出差分信号的处理需求；其次，由于集成元件的制造工艺限制，集成运放的噪声比分立元件大2-5倍，而且低噪声集成运放成本较高；最后，现有的柔性制造薄膜张力检测传感器输出电阻较小，而集成运放和现有方案输入端大多采用MOS管设计，等效噪声电阻较高，难以实现与信号输出端的噪声匹配。相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究和改进，以便更好地满足柔性制造装备中薄膜张力信号检测在精度及成本上的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明紧密结合柔性制造过程中薄膜张力检测的工艺特征及需求，提供了一种用于柔性制造薄膜张力信号检测的小信号低噪声放大电路，其中通过对其整体电路构造重新作出针对性的设计，并对关键组件如多级放大电路和噪音匹配元件等作出改进，相应能够有效减小单端或差分输入小信号放大电路自身的噪声干扰，同时支持差分小信号和单端小信号的低噪声放大，极大地提高了低噪声放大电路的适用性，因而尤其适用于柔性制造薄膜张力信号检测之类的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于柔性制造薄膜张力信号检测的小信号低噪声放大电路，其特征在于，其包括信号滤波电路、第一级放大电路、第二级放大电路和电源滤波电路，其中：

所述信号滤波电路由两个RC无源滤波器组成，并且它们的输入端分别用于滤除薄膜张力传感器所输出信号的低频干扰和高频干扰，然后将滤波后的差分或单端信号输送给所述第一级放大电路；

所述第一级放大电路包括依次联接的三段式差分级联结构也即第一段差分结构、第二段差分结构和第三段差分结构，以及配套的恒流源模块和负反馈模块，其中：

对于第一段差分结构而言，其包括噪声匹配元件Q1、噪声匹配元件Q2、电阻R3、电阻R4和电位器R5，并且该噪声匹配元件Q1与该电阻R3、该噪声匹配元件Q2与该电阻R4分别连接以形成共射或共源放大结构，同时通过该电位器R5执行零点调节；

对于第二段差分结构而言，它包括三极管Q4、三极管Q5、电阻R11、电阻R12和电位器R13，并且该三极管Q4的集电极连接该电阻R11、它的基级连接该第一级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R13的一端；该三极管Q5的集电极连接该电阻R12、它的基级连接该第一级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R13的另外一端；由此共同组成一种共射放大结构，同时通过该电位器R13执行零点调节；

对于第三段差分结构而言，它包括三极管Q6、三极管Q6、电阻R15、电阻R16和电位器R17，并且该三极管Q6的集电极连接该电阻R15、它的基级连接该第二级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R17的一端；该三极管Q7的集电极连接该电阻R16、它的基级连接该第二级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R17的另外一端；由此共同组成一种共射放大结构，同时通过该电位器R17执行零点调节；以此方式，以上三段式差分级联结构将输入端信号进行三次反相，并为电压并联发反馈提供相位条件；

对于所述恒流源模块和负反馈模块而言，其中该恒流源模块用于对所述第一段差分结构的静态工作点进行控制，以为噪声匹配过程提供稳定的直流偏置；该负反馈模块则用于对整个所述第一级放大电路的增益和输出电压进行稳定，同时减小其输入电阻；

所述第二级放大电路的输入端与所述第一级放大电路的输出端保持相连，并用于将该第一级放大电路所输出的差分信号转换为单端信号予以输出，同时对第一级输出的差分信号进一步放大；

所述电源滤波电路由输入端滤波电路和输出端滤波电路组成，它们分别用于对整个小信号低噪声放大电路的正电源和负电源进行滤波处理。

作为进一步优选地，对于所述第一级放大电路而言，其优选可设计为两种形式：当所述薄膜张力传感器输出的电阻低于或等于设定值时，它包括三极管Q1、三极管Q2、电阻R3、电阻R4和电位器R5，其中该三极管Q1的集电极与该电阻R3连接、该三极管Q2的集电极与该电阻R4连接，由此组成差分共射极放大电路，同时通过该电位器R5对其进行零点调节；

而当所述薄膜张力传感器所输出的电阻高于设定值时，所述三极管Q1和三极管Q2分别被替换为两个MOS管，并且一个MOS管的漏极与所述电阻R3连接、另外一个MOS管的漏极与所述电阻R4连接，由此组成差分共源极放大电路，同时通过所述电位器R5对其进行零点调节。

作为进一步优选地，对于所述第一级放大电路而言，其优选采用以下方式执行与信号输出端的噪声匹配过程：

所述三极管Q3的集电极连接所述第一段差分结构，它的基级与所述电阻R6、R7连接，它的发射极设置有电阻R8，由此控制所述Q1和Q2的静态工作电流Iq，通过静态工作电流Iq可以查找所述噪声匹配元件Q1、Q2的等效噪声电压En和等效噪声电流In曲线，进而得对应的等效噪声电阻；该等效噪声电阻与电阻R1、R2和所述电位器R5叠加，由此得到输入端等效总噪声电阻，并且该等效总噪声电阻Rns的值被设定为接近信号输出端内阻Rs，从而实现噪声匹配。

作为进一步优选地，对于所述负反馈模块(25)而言，其优选除了包括所述电阻R1、R2之外，还包括电阻R9、R10；其中该电阻R9、R10分别连接在两个输入输出端之间，并通过将这些电阻的电阻值控制为R1＝R2、R9＝R10，由此对整个所述第一级放大电路的增益和输出电压进行稳定，同时减小其输入电阻。

作为进一步优选地，对于所述第一级放大电路而言，它的输入端既可以设定为接收差分信号，也可以设定为将任意一端接地后接收单端信号。

作为进一步优选地，对于所述第二级放大电路而言，其优选包括集成功放、电阻R19、电阻R20、电阻R21和电阻R22，其中该电阻R19的一端连接所述第一级放大电路对应端的输出，另一端连接该集成运放的负输入端；该电阻R20的一端连接所述第一级放大电路对应端的输出，另一端连接该集成运放的正输入端；该电阻R21的一端连接该集成运放的负输入端，另一端连接该集成运放的输出端组成负反馈；该电阻R22的一端连接该集成运放的正输入端，另一端接地；此外，该电阻R19、R20、R21、R22的阻值满足R19＝R20和R21＝R22。

作为进一步优选地，对于所述电源滤波电路而言，它的输入端滤波电路优选由电阻R23、电解电容C5和贴片电容C6组成，并用于滤除输入整个电路的正极性电源中的高频和低频干扰；它的输出端滤波电路优选由电阻R24、电解电容C7和贴片电容C8组成，并用于滤除输入整个电路的负极性电源中的高频和低频干扰。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过紧密结合柔性制造过程中薄膜张力信号检测的工艺特征和实际需求，对其整体电路构造的组成和设置重新进行了设计，同时对关键组成元件的选择及工作机理等多个方面作出改进，相应不仅能够有效减小小信号放大电路自身的噪声干扰，而且有助于提高小信号的信噪比；

2.基于本发明输入端结构的设计，可同时支持差分小信号和单端小信号的低噪声放大，极大地提高了低噪声放大电路的适用性；

3、此外，本发明采用两级放大，噪声主要由具备三级差分结构的第一级决定，增益主要由第二级决定，故可在设置较大的放大倍数的同时，保证输出电压噪声低、精度高。

附图说明

图1是按照本发明一个优选实施方式所构建的小信号低噪声放大电路的整体构造示意图；

图2是图1中所示小信号低噪声放大电路的整体组成示意图；

图3是按照本发明一个优选实施方式的第一级放大电路的具体组成示意图；

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或结构，其中：

1-信号滤波电路，2-第一级放大电路，3-第二级放大电路，4-电源滤波电路，21-第一段差分结构，22-第二段差分结构，23-第三段差分结构，24-恒流源模块，25-负反馈模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明一个优选实施方式所构建的小信号低噪声放大电路的整体构造示意图，图2是图1中所示小信号低噪声放大电路的整体组成示意图。如图1和图2所示，该放大电路主要包括信号滤波电路1、第一级放大电路2、第二级放大电路3和电源滤波电路4等功能组件，下面将对其逐一进行解释说明。

如图1所示整体所示，该小信号低噪声放大电路或者柔性制造设备薄膜张力检测电路中采用直流电源为系统供电，通过选择低噪声LDO将电源电压分别转换为所需低噪声正负电源，为集成运放和所设计的放大电路供电。传感器输出信号经过输入端滤波处理、噪声匹配设计以及两级低噪声放大后，进入低噪声AD转换芯片，完成整个信号处理过程。

具体而言，系统直流电源譬如可以为12V电池，将12V直流电源转换为低噪声负电压为放大电路供电时，譬如可以采用负电压转换芯片与低噪声负LDO串联的方式连接，其中，负电压转换芯片可以把12V直流电源转换为所需负电压，低噪声负LDO可以将上一步得到的负电压转换为相应的低噪声负电压输出。

信号滤波电路譬如由两个RC无源滤波器组成，并且它们的输入端分别用于滤除薄膜张力传感器所输出信号的低频干扰和高频干扰，然后将滤波后的差分或单端信号输送给所述第一级放大电路。

更具体地，如图2所示，信号滤波电路1中，R1、C1、C2和R2、C3、C4分别组成两个RC无源滤波器，分别在两个输入端滤除传感器输出信号中的低频和高频干扰，并将滤波后的差分或单端信号输送给第一级放大电路2处理。

所述第一级放大电路2的输入端直接与信号滤波电路1相连接，输出端与第二级放大电路3输入端相连接；其包括第一段差分结构21、第二段差分结构22、第三段差分结构23、恒流源模块24和负反馈模块25。

更具体地，如图3所示，对于第一段差分结构而言，其包括噪声匹配元件Q1、噪声匹配元件Q2、电阻R3、电阻R4和电位器R5，并且该噪声匹配元件Q1与该电阻R3、该噪声匹配元件Q2与该电阻R4分别连接以形成共射或共源放大结构，同时通过该电位器R5执行零点调节。

按照本发明的一个具体实施例，当传感器输出电阻较小时，Q1和Q2选择三极管，相应的，Q1的集电极与电阻R3连接、Q2的集电极与电阻R4连接，组成差分共射极放大电路，而当传感器输出电阻较小时，Q1和Q2选择MOS管，相应的，Q1的漏极与电阻R3连接、Q2的漏极与电阻R4连接，组成差分共源极放大电路，R5采用精密电阻器，可以对差分电路进行零点调节。

按照本发明的另外一个具体实施例，噪声匹配元件Q1、Q2，电阻R1、R2和精密电阻器R5与信号输出端的噪声匹配方法为：三极管Q3的集电极连接第一段差分结构，基级与电阻R6、R7连接，发射极有电阻R8，共同组成恒流源24控制Q1和Q2的静态工作电流Iq，通过静态工作电流Iq可以查找Q1和Q2的等效噪声电压En和等效噪声电流In曲线，进而得到Q1和Q2的等效噪声电阻，可由公式Rn＝En/In确定，等效噪声电阻Rn与输入端电阻R1、R2和精密电阻器R5叠加可以得到输入端等效总噪声电阻，可由公式Rns＝2xRn+R1+R2+R5确定，使等效总噪声电阻Rns的值尽量接近信号输出端内阻Rs，从而实现噪声匹配。

对于第二段差分结构而言，它包括三极管Q4、三极管Q5、电阻R11、电阻R12和电位器R13，并且该三极管Q4的集电极连接该电阻R11、它的基级连接该第一级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R13的一端；该三极管Q5的集电极连接该电阻R12、它的基级连接该第一级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R13的另外一端；由此共同组成一种共射放大结构，同时通过该电位器R13执行零点调节。

对于第三段差分结构而言，它包括三极管Q6、三极管Q6、电阻R15、电阻R16和电位器R17，并且该三极管Q6的集电极连接该电阻R15、它的基级连接该第二级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R17的一端；该三极管Q7的集电极连接该电阻R16、它的基级连接该第二级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R17的另外一端；由此共同组成一种共射放大结构，同时通过该电位器R17执行零点调节；以此方式，以上三段式差分级联结构将输入端信号进行三次反相，并为电压并联发反馈提供相位条件。

对于所述恒流源模块和负反馈模块而言，其中该恒流源模块用于对所述第一段差分结构的静态工作点进行控制，以为噪声匹配过程提供稳定的直流偏置；该负反馈模块则用于对整个所述第一级放大电路的增益和输出电压进行稳定，同时减小其输入电阻。

更具体地，负反馈模块22可以由电阻R1、R2、R9、R10组成电压并联负反馈，稳定电路增益和输出电压，同时减小输入电阻。电阻R1、R2、R9、R10的阻值满足R1＝R2、R9＝R10，其中，电阻R9、R10分别连接在两个输入输出端之间，通过控制电阻R1、R2、R9、R10的阻值可以控制第一级放大电路1的增益，当输入端输入差分信号或者单端信号时，第一级放大电路1的增益均由公式R8/R1确定。

所述第二级放大电路的输入端与所述第一级放大电路的输出端保持相连，并用于将该第一级放大电路所输出的差分信号转换为单端信号予以输出，同时对第一级输出的差分信号进一步放大。

更具体地，所述第二级放大模块3譬如可采用一个低噪声集成运放譬如LF356为核心组成差动放大器结构，可以将所述第一级放大电路2输出的差分信号转换为单端信号输出，其中，电阻R19一端连接第一级放大电路对应端的输出，另一端连接集成运放的负输入端，电阻R20一端连接第一级放大电路对应端的输出，另一端连接集成运放的正输入端，电阻R21一端连接集成运放的负输入端，另一端连接集成运放的输出端组成负反馈，电阻R22一端连接集成运放的正输入端，另一端接地，且电阻R19、R20、R21、R22的阻值满足R19＝R20、R21＝R22，第二级放大电路3的放大倍数由公式R21/R19确定。

此外，所述电源滤波电路由输入端滤波电路和输出端滤波电路组成，它们分别用于对整个小信号低噪声放大电路的正电源和负电源进行滤波处理。

更具体地，所述电源滤波电路4由输入端滤波电路和输出端滤波电路组成，输入端滤波电路譬如可由电阻R23、电解电容C5和贴片电容C6组成，可以滤除输入系统的正极性电源中的高频和低频干扰；输出端滤波电路譬如可由电阻R24、电解电容C7和贴片电容C8组成，可以滤除输入系统的负极性电源中的高频和低频干扰。

综上所述，本发明通过在信号输入端进行噪声匹配，采用三段差分共射级联结构并优选低噪声集成运放和分立元件，能够有效减小小信号放大电路自身的噪声干扰，提高了小信号的信噪比；并同时支持差分小信号和单端小信号的低噪声放大，极大地提高了低噪声放大电路的适用性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于柔性制造薄膜张力信号检测的小信号低噪声放大电路，其特征在于，其包括信号滤波电路、第一级放大电路、第二级放大电路和电源滤波电路，其中：

所述信号滤波电路由两个RC无源滤波器组成，并且它们的输入端分别用于滤除薄膜张力传感器所输出信号的低频干扰和高频干扰，然后将滤波后的差分或单端信号输送给所述第一级放大电路；

所述第一级放大电路包括依次联接的三段式差分级联结构也即第一段差分结构、第二段差分结构和第三段差分结构，以及配套的恒流源模块和负反馈模块，其中：

对于第一段差分结构而言，其包括噪声匹配元件Q1、噪声匹配元件Q2、电阻R3、电阻R4和电位器R5，并且该噪声匹配元件Q1与该电阻R3、该噪声匹配元件Q2与该电阻R4分别连接以形成共射或共源放大结构，同时通过该电位器R5执行零点调节；

对于第二段差分结构而言，它包括三极管Q4、三极管Q5、电阻R11、电阻R12和电位器R13，并且该三极管Q4的集电极连接该电阻R11、它的基级连接该第一级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R13的一端；该三极管Q5的集电极连接该电阻R12、它的基级连接该第一级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R13的另外一端；由此共同组成一种共射放大结构，同时通过该电位器R13执行零点调节；

对于第三段差分结构而言，它包括三极管Q6、三极管Q6、电阻R15、电阻R16和电位器R17，并且该三极管Q6的集电极连接该电阻R15、它的基级连接该第二级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R17的一端；该三极管Q7的集电极连接该电阻R16、它的基级连接该第二级放大电路对应端的输出电压、它的发射极连接该电位器R17的另外一端；由此共同组成一种共射放大结构，同时通过该电位器R17执行零点调节；以此方式，以上三段式差分级联结构将输入端信号进行三次反相，并为电压并联发反馈提供相位条件；

对于所述恒流源模块和负反馈模块而言，其中该恒流源模块用于对所述第一段差分结构的静态工作点进行控制，以为噪声匹配过程提供稳定的直流偏置；该负反馈模块则用于对整个所述第一级放大电路的增益和输出电压进行稳定，同时减小其输入电阻；

所述第二级放大电路的输入端与所述第一级放大电路的输出端保持相连，并用于将该第一级放大电路所输出的差分信号转换为单端信号予以输出，同时对第一级输出的差分信号进一步放大；

所述电源滤波电路由输入端滤波电路和输出端滤波电路组成，它们分别用于对整个小信号低噪声放大电路的正电源和负电源进行滤波处理。

2.如权利要求1所述的小信号低噪声放大电路，其特征在于，对于所述第一级放大电路而言，其优选可设计为两种形式：当所述薄膜张力传感器输出的电阻低于或等于设定值时，它包括三极管Q1、三极管Q2、电阻R3、电阻R4和电位器R5，其中该三极管Q1的集电极与该电阻R3连接、该三极管Q2的集电极与该电阻R4连接，由此组成差分共射极放大电路，同时通过该电位器R5对其进行零点调节；

而当所述薄膜张力传感器所输出的电阻高于设定值时，所述三极管Q1和三极管Q2分别被替换为两个MOS管，并且一个MOS管的漏极与所述电阻R3连接、另外一个MOS管的漏极与所述电阻R4连接，由此组成差分共源极放大电路，同时通过所述电位器R5对其进行零点调节。

3.如权利要求1或2所述的小信号低噪声放大电路，其特征在于，对于所述第一级放大电路而言，其优选采用以下方式执行与信号输出端的噪声匹配过程：

所述三极管Q3的集电极连接所述第一段差分结构，它的基级与所述电阻R6、R7连接，它的发射极设置有电阻R8，由此控制所述Q1和Q2的静态工作电流Iq，通过静态工作电流Iq可以查找所述噪声匹配元件Q1、Q2的等效噪声电压En和等效噪声电流In曲线，进而得对应的等效噪声电阻；该等效噪声电阻与电阻R1、R2和所述电位器R5叠加，由此得到输入端等效总噪声电阻，并且该等效总噪声电阻Rns的值被设定为接近信号输出端内阻Rs，从而实现噪声匹配。

4.如权利要求1-3任意一项所述的小信号低噪声放大电路，其特征在于，对于所述负反馈模块(25)而言，其优选除了包括所述电阻R1、R2之外，还包括电阻R9、R10；其中该电阻R9、R10分别连接在两个输入输出端之间，并通过将这些电阻的电阻值控制为R1＝R2、R9＝R10，由此对整个所述第一级放大电路的增益和输出电压进行稳定，同时减小其输入电阻。

5.如权利要求1-4任意一项所述的小信号低噪声放大电路，其特征在于，对于所述第一级放大电路而言，它的输入端既可以设定为接收差分信号，也可以设定为将任意一端接地后接收单端信号。

6.如权利要求1-5任意一项所述的小信号低噪声放大电路，其特征在于，对于所述第二级放大电路而言，其优选包括集成功放、电阻R19、电阻R20、电阻R21和电阻R22，其中该电阻R19的一端连接所述第一级放大电路对应端的输出，另一端连接该集成运放的负输入端；该电阻R20的一端连接所述第一级放大电路对应端的输出，另一端连接该集成运放的正输入端；该电阻R21的一端连接该集成运放的负输入端，另一端连接该集成运放的输出端组成负反馈；该电阻R22的一端连接该集成运放的正输入端，另一端接地；此外，该电阻R19、R20、R21、R22的阻值满足R19＝R20和R21＝R22。

7.如权利要求1-6任意一项所述的小信号低噪声放大电路，其特征在于，对于所述电源滤波电路而言，它的输入端滤波电路优选由电阻R23、电解电容C5和贴片电容C6组成，并用于滤除输入整个电路的正极性电源中的高频和低频干扰；它的输出端滤波电路优选由电阻R24、电解电容C7和贴片电容C8组成，并用于滤除输入整个电路的负极性电源中的高频和低频干扰。