CN204578469U - 光电二极管用t型网络自动增益控制前置放大电路 - Google Patents

Abstract

一种可以用于光电二极管微弱电流信号放大的基于T型网络的自动增益控制电路，主要模块包括：运算放大器、T型反馈网络、数字电位器、低通滤波电路和单片机等。该电路能够对光电二极管产生的较宽动态范围内的电流信号进行放大，尤其对于微弱电流信号能进行无失真、高增益和低噪声放大。本实用新型提出的基于T型网络的自动增益控制电路具有适应输入宽动态范围、输出稳定无失真、结构简单和控制方便等特点，适合用于测量仪器设备的前置预放，典型应用就是可以作为各种光电二极管的低噪声放大。

Description

光电二极管用T型网络自动增益控制前置放大电路

技术领域

本实用新型提出一种宽动态范围微弱电流信号放大的基于T型网络的自动增益控制电路，属于测量仪器仪表领域。该电路具有增益自动调节、宽输入动态范围、宽处理带宽、高增益、低直流偏置等优势，该电路可以作为各种测量仪器设备的电流预放，典型应用是光电二极管的前置放大。

背景技术

很多传感器检测到的信号强度会在较大范围内波动，例如各种光电探测器，其中比较典型的情况是激光遥测系统。该系统中光电探测器接收到的光会因不同反射背景、天气条件、测量距离而在较大范围内波动，波动速度则和系统工作方式有关，背景扫描速度越快、接收光强波动就越剧烈。而这种波动往往会对传感器的测量过程造成不良后果，影响测量结果精度和稳定性，因此在这些探测器的信号放大阶段必须尽量减少输入信号波动、稳定输出。

自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)电路正是对放大器的增益进行自动调节的过程，即使输入信号波动很大经过此电路的输出信号也会比较稳定。实际上，自动增益控制电路是输出限幅装置的一种，它利用线性放大和压缩的有效组合对探测器获取的波动信号进行调整。当弱信号输人时，增大放大电路增益，保证输出信号的强度；当输人信号强度达到一定程度时，减小放大电路增益、甚至对其进行抑制，使声输出幅度降低。自动增益控制的核心是根据电路实际输出幅值的大小及设定的幅值参数，获取一个增益的增量/或减量，并对这个增量或减量进行积分，获取控制电路的实际增益。简单的说--就是把输出信号取出一部分处理之后返回输入端控制放大器或者处理电路的增益，使之保持在一个水平之内。用于各种领域的AGC电路种类繁多，一般存在以下问题：

1)难以兼顾较好的放大线性效果和较大的增益控制范围，很多模拟或数字的AGC系统为了增大增益控制范围，往往会因系统幅频和群时延特性变化而造成信号严重失真。而在有些领域，恰恰对这两个性能都有要求，例如一些基于波长调制的激光光谱测量系统，一方面系统中的光电探测器接收光强波动范围巨大、另一方面参数反演过程需要良好的接收信号线性度。

2)很多AGC方案为了解决增益控制范围的问题，会采用多级AGC级联，使电路结构和控制过程变得复杂、增大控制时延，从而难以适应包络变化频率较高的信号。AGC电路的级联还会影响其工作稳定性，容易造成放大过程饱和或者自激。

3)常用的基于可变增益放大器、检波电路和控制电平产生电路的模拟AGC系统抗噪声性能差、环境稳定性差、增益控制范围小且难以实现高精度增益控制，另外，受限于可变增益放大器的带宽，这些AGC电路难以适用于宽带微弱的光电探测器前置放大。

光电探测器的输出一般可以看作电流源，但是该电流会随着光强的变化而在一个较大的范围内波动，因此合适的电流电压转换电路是提高光电探测器效能的关键因素。光电探测器的电流很弱的时候，为了得到较大的输出电压，往往需要增大感应面积或加大转换电阻值，但是这样会影响输出带宽和噪声特性。光电探测器的电流电压转换电路常用跨阻放大方案，这种放大电路一般存在以下问题：

1)和光电探测器产生的电流相比，一般运算放大器都会有一个比较明显的输入偏置电流，该电流经过跨阻放大电路中较大的反馈电阻后，会在输出端产生一个较大的直流偏置，造成测量误差。

2)光电探测器的感应面积越大、其结电容越大，该结电容与跨阻放大器的反馈电阻会严重限制放大电路的工作带宽。当探测器感应到的光强很弱时，为了获得较大的放大输出信号，往往需要一个很大的反馈电阻。选定一个探测器，结电容不变，反馈电阻越大、放大电路的带宽越窄。很多测量信号的频率要求较高，在光强较弱时，放大信号往往会严重失真。

发明内容

本实用新型针对目前光电探测器接收信号放大过程中存在的上述问题，提出一种AGC前置放大方案，该方案在光强大范围波动的应用前提下，不仅能够实现包络稳定的电压信号输出，而且能够减小输出信号带限失真和偏置电压、控制系统噪声。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：一种光电二极管用T型网络自动增益控制前置放大电路，包括预放补偿电路、T型反馈网络、检波电路和单片机模数转换与控制电路；所述预放补偿电路包括电阻R₃以及并联在R₃两端的电容C₁；所述T型反馈网络包括相互串联的电阻R_f、R₁以及连接在R_f、R₁之间的数字电位器R₂，所述检波电路包括运放U₂、连接在运放U₂反相输入端的电阻R₄、连接在运放U₂同相输入端和反相输入端之间的电容C₂、连接在运放U₂反向输入端与输出端之间的电阻R₅以及并联在R₅两端的电容C₃；运放U₂的同向输入端接地；单片机模数转换与控制电路包括单片机以及与单片机信号输入端相连接的模数转换器；模数转换器的信号输入端与运放U₂的输出端相连接；单片机的信号输出端与数字电位器R₂的控制端相连接，数字电位器R₂的一端接地；数字电位器R₂的另一端连接在电阻R_f和R₁之间；还包括一个运放U₁，运放U₁的反向输入端连接有电容C_d，电容C_d的另一端接地；运放U₁的同相输入端与电阻R₃相连接，电阻R₃的另一端接地；运放U₁的输出端通过电阻R₄与运放U₂的反相输入端相连接；电阻R_f不与数字电位器R₂连接的一端与运放U₁的反相输入端相连接；电阻R₁不与数字电位器R₂连接的一端与运放U₁的输出端相连。

低噪声运算放大器结合T型网络和偏置电压补偿电阻构成AGC前置放大。

检波电路是第二级放大，采用有源二阶窄带低通滤波器，在提取高频交流信号慢变包络的同时，构成反相比例放大。

单片机(也可以配合外置ADC)完成AD采集和AGC门限电平比较，再用一组IO口控制数字电位器的阻值调整趋势。

数字电位器作为分压电阻连接于信号地和反馈电阻R_f之间，其对电流电压转换增益系数的贡献相当于分母。

R₁、R₂和R_f构成的前置放大电路的反馈T型网络位于运放的反相输入端和输出之间，完成光电二极管所产生电流的电压转换。

光电二极管连接于信号地和运放反相输入端之间，其产生电流主要流经T型网络。

自动增益控制的前置放大电路实施了直流偏置补偿和噪声抑制，其特征是在该级运放的同相输入端和信号地之间并联了电阻R₃和电容C₁,其中R₃的阻值必须与R_f匹配，才能获得较好的直流偏置电压补偿效果。

后级检波电路采用有源二阶低通滤波结构。R₄、C₂，R₅、C₃分别配合实现RC低通滤波，R₄、R₅接在运放的反相端，R₄、C₂构成的RC滤波器串联于前置放大输出与本级运放的反相输入端之间，R₅、C₃并联于运放反相输入端和输出端之间。该电路能够在完成前置放大之后的高频信号窄带低通滤波、光强波动包络提取的同时，实现包络的反相比例放大。

单片机在AGC过程中的作用：实施包络和参考电压范围的比较、利用通用控制线控制数字电位器。单片机将待稳定包络的瞬时电压值和参考电压范围做比较，当包络瞬时值小于参考最小值时，控制线减小数字电位器阻值、提高增益；当包络瞬时值大于参考最大值时，控制线增大数字电位器阻值、降低增益；当包络瞬时值出于参考电压范围内时，控制线保持原状、增益不变。

本实用新型的目的是用结构简单、控制方便的电路完成光电探测器的自动增益控制前置放大，在稳定输出的同时，尽量减小输出信号的带限失真、降低偏置电压、抑制系统噪声。所提出的电路方案由模拟数字电路混合构成，主要包括四个部分：预放补偿电路、T型反馈网络、检波电路和单片机模数转换与控制电路。数字电位器作为T型反馈网络的接地电阻，起到了分压作用，该电阻配合一个阻值较小的反馈电阻就能够使前置放大电路获取非常大的增益和较宽的增益范围。低噪声运算放大器结合T型网络和补偿电阻构成AGC前置放大。检波电路考虑用运放构成二阶有源窄带低通滤波器来实现，高频交流信号经过检波电路可以得到其包络。该包络经单片机AD采集之后与AGC门限电平作比较，再用单片机的一组IO口控制数字电位器的阻值调整趋势，大于门限、增大阻值、降低增益，小于门限、减小阻值、提高增益，从而实现光电探测器的AGC前置放大。

方案中几个主要部分的功能和工作原理描述如下：

1)R₁、R₂和R_f构成光电探测器前置放大电路的反馈T型网络，用T型网络代替传统的跨阻，能够产生与跨阻等效的反馈阻抗，但是T型网络中的各个电阻值要小很多。可以从光电探测器产生的微弱电流信号开始分析该T型网络前置放大的工作原理。T型网络的反馈通路从运放的反相端输入了光电探测器的电流I_i，该电流会在R_f上产生一个电压I_iR_f。对于传统跨阻放大器，I_iR_f就是电流转电压的放大输出，但是T型网络中的R₁和R₂构成的分压电路能够进一步放大I_iR_f，使得前置放大输出电压为

$V_0=I_i{R}_{\mathrm{fe}}=(R_f+R_1+\frac{R_f{R}_1}{R_2})*I_i$

其中，R_fe为等效反馈电阻，且一般情况下，有R_f＞＞R₁＞＞R₂，所以

$V_0\≈I_i(1+\frac{R_1}{R_2})R_f$

可见，对于给定的电流电压转换增益，放大系数大大减少了对于反馈电阻的阻值要求；反之，可以用较小的R_f、R₁、R₂阻值获得较大的电流电压放大增益。在实际应用中，R_f和R₁是设计好的固定电阻，R₂则是由单片机控制的数字电位器。放大系数的分母部分用阻值在0～R₁之间可变的数字电位器，可以大大增加自动增益控制范围。

2)电阻R₃和电容C₁构成补偿电路，可以减小运放反相端输入电流引起的偏置效应。运放反相端的输入电流(通常选择用于前置放大的该电流可以忽略不计)经过反馈电阻会产生一个输出偏置分量，当反馈电阻值较大时，该直流偏置比较明显。在同相端连接与反馈电阻值相同的补偿电阻R₃可以对该偏置进行补偿，与R₃并联的C₁则可以在很大程度上消除同相端补偿电阻引入的噪声。对于反馈T型网络R₃＝R_f；

可见，与传统的跨阻相比，该补偿电阻也相对较小。

通过以上分析，用T型网络代替传统跨阻，通过减小各个电阻的阻值，可以极大地减少偏置误差。而减少电阻值就可以减少加在光电二极管上的补偿电压，也会减小补偿电阻和反馈电阻之间的匹配误差。

受限于材料、生产工艺和感光面积等因素，光电探测器(如光电二极管)会有一个较大的结电容C_d，一般在几十pF以上，该电容是制约光电探测器测量带宽的关键因素。在反馈电阻不大、电流电压转换增益要求不大的情况下，C_d对前置放大电路处理带宽影响不明显；当反馈电阻较大、电流电压转换增益要求较大时，C_d对前置放大电路的带宽限制表现明显，通常会使电流电压转换输出信号严重失真。

根据以上参数，前置放大电路的带宽为

$B=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_f{C}_d};$

T型网络前置放大得益于可以用较小的R_f得到较大的增益，即使电流电压转换增益要求很大，其带宽仍然较宽。

3)检波电路采用有源二阶低通滤波结构，R₄、C₂，R₅、C₃分别配合完成RC低通滤波，R₄、R₅接在运放的反相端。该电路在完成前置放大之后的高频信号窄带低通滤波、光强波动包络提取的同时，实现包络的反相比例放大，比例放大系数为： $G=-\frac{R_5}{R_4}.$

4)单片机在本方案中的主要作用包括：用内置或外置AD对检波器输出的波动包络进行采集；存储参考电压范围(最小值和最大值)；实施包络和参考电压范围的比较；利用控制线(IO口、I2C或SPI等)控制数字电位器。单片机实施AD采集、比较和控制的过程可以采用通用的编程方法，可以选用内置AD模块的单片机、也可以选用外置AD芯片完成包络采集，数字电位器的阻值和控制方式也可以根据需要选择。

附图说明

图1光电二极管T型网络前置自动增益控制放大电路结构。

图2AGC稳定之前的信号比较(高频部分为前置放大输出，低频部分为检波电路输出)。

图3AGC稳定之后的信号比较(高频部分为前置放大输出，低频部分为检波电路输出)。

1-单片机，2-模数转换器，3-光电二极管。

具体实施方式

一种光电二极管用T型网络自动增益控制前置放大电路，包括预放补偿电路、T型反馈网络、检波电路和单片机模数转换与控制电路；所述预放补偿电路包括电阻R₃以及并联在R₃两端的电容C₁；所述T型反馈网络包括相互串联的电阻R_f、R₁以及连接在R_f、R₁之间的数字电位器R₂，所述检波电路包括运放U₂、连接在运放U₂反相输入端的电阻R₄、连接在运放U₂同相输入端和反相输入端之间的电容C₂、连接在运放U₂反向输入端与输出端之间的电阻R₅以及并联在R₅两端的电容C₃；运放U₂的同向输入端接地；单片机模数转换与控制电路包括单片机1以及与单片机1信号输入端相连接的模数转换器2；模数转换器2的信号输入端与运放U₂的输出端相连接；单片机1的信号输出端与数字电位器R₂的控制端相连接，数字电位器R₂的一端接地；数字电位器R₂的另一端连接在电阻R_f和R₁之间；还包括一个运放U₁，运放U₁的反向输入端连接有电容C_d，电容C_d的另一端接地；运放U₁的同相输入端与电阻R₃相连接，电阻R₃的另一端接地；运放U₁的输出端通过电阻R₄与运放U₂的反相输入端相连接；电阻R_f不与数字电位器R₂连接的一端与运放U₁的反相输入端相连接；电阻R₁不与数字电位器R₂连接的一端与运放U₁的输出端相连。

本实用新型针对光强波动范围较大的光电二极管设计，根据以上描述的模块功能和工作原理，为了在满足宽带宽、高增益、低噪声和低偏置等条件的基础上实现光电二极管微弱电流信号的自动增益控制前置放大，一方面需要选择合适的电路结构，另一方面需要配置合适的参数。下面将对本实用新型所提出的方案具体实施过程进行说明，包括其中重要元器件的选型、参数配置和工作时序。

前置自动增益控制放大电路中，T型反馈网络连接在前置放大输出和运算放大器反相输入端之间，直流偏置补偿滤波电路接在运放的同相端和信号地之间。光电二极管作为电流源，连接在信号地和前置放大器的反相端。后级检波电路中，R₄、C₂，R₅、C₃分别配合完成二阶RC低通滤波，R₄、R₅接在运放的反相端配合实现反相比例放大。

大多数光电二极管的结电容C_d都在几十pF量级以上，为了确保较高的增益和较宽的带宽，R_f阻值的选择必须在10M欧以下，前置放大电路T型网络中的各个主要元件选择依据是：

R_f＞＞R₁＞＞R₂

其中R_f和R₂的阻值选择更加关键。R_f决定了前置放大电流电压转换的最小增益，R_f阻值大小应由实际光强波动情况确定，R_f选值太小会降低最大增益、选值太大可能会导致前置放大饱和；R₂是数字电位器，数字电位器的关键参数有阻值范围和变化级数，根据放大系数的最小阻值决定了最大电流电压转换增益、变化级数则影响增益控制后的信号稳定性。R_f的典型值是1M欧，R₂典型值是75～10k欧(可供选型64级易失性数字电位器MCP4013，由双IO线控制)，R₁的典型值是10k欧。

R₃作为补偿电阻，是降低前置放大输出直流偏置的关键，其次R₃还能配合C₁完成噪声抑制。R₃需要和R_f匹配，已达到最佳直流偏置补偿的效果。因此R₃的典型值也是1M欧，C₁的典型值是pF级。

前置放大电路中另一个决定性能的关键因素是运算放大器的选型。考虑到高增益带宽、低直流偏置等要求，运放的基本要求是适合于光电二极管电流电压转换的低输入偏置电流、高增益带宽、低噪声特性，常选择FET或JFET输入运放，型号众多，比较典型的有AD8605、OP37等。

后一级检波电路采用二阶有源窄带低通滤波方案，一方面要抑制前级输入的高频待处理光电信号、提取光强波动包络，另一方面要配合后级AD采集进行信号调理(放大、限幅等)。该级放大滤波电路需要根据实际工作情况(接收待处理光信号和光强波动包络的频率范围，一般待处理光电信号的重复频率为1kHz以上、光强波动包络的频率范围几Hz～几十Hz之间)，设置好低通滤波的截止频率，其他参数设置比较灵活。

包络的AD采集过程，可以用外置AD芯片完成、也可以用带片载AD的单片机完成。根据包络特点，该AD采集的技术指标要求10bit以上位宽、1kSPS以上采样率。

单片机完成整个电路的时序控制、参考存储和数据比较，整个自动增益控制实现过程不含特殊或专门的控制或数据处理算法，用于系统工作的单片机编程属于通用范围。具体如下：

1)用内置或外置AD对检波器输出的波动包络进行采集，典型的单片机是ADUC70XX系列，片载10bit/1MSPS ADC、FLASH ROM。

2)将稳定后波形的标准包络电压范围(针对3.3V ADC供电电压，可以设置最小值2.4V和最大值2.6V)存储于ROM。

3)将待稳定包络的瞬时电压值和参考电压范围做比较，当包络瞬时值小于参考最小值时，控制线减小数字电位器阻值、提高增益；当包络瞬时值大于参考最大值时，控制线增大数字电位器阻值、降低增益；当包络瞬时值出于参考电压范围内时，控制线保持原状、增益不变。

4)利用通用控制线控制数字电位器的阻值增减，典型控制线接口方式包括：GPIO(采用MCP4013)，SPI(采用MAX5400)。

为了提高本方案的温度稳定性，所有电阻电容均考虑采用低温飘型号(MCP4013、MAX5400温飘典型值分别是10ppm、5ppm)。

Claims (2)

1.一种光电二极管用T型网络自动增益控制前置放大电路，其特征在于，包括预放补偿电路、T型反馈网络、检波电路和单片机模数转换与控制电路；所述预放补偿电路包括电阻R₃以及并联在R₃两端的电容C₁；所述T型反馈网络包括相互串联的电阻R_f、R₁以及连接在R_f、R₁之间的数字电位器R₂，所述检波电路包括运放U₂、连接在运放U₂反相输入端的电阻R₄、连接在运放U₂同相输入端和反相输入端之间的电容C₂、连接在运放U₂反向输入端与输出端之间的电阻R₅以及并联在R₅两端的电容C₃；运放U₂的同向输入端接地；单片机模数转换与控制电路包括单片机(1)以及与单片机(1)信号输入端相连接的模数转换器(2)；模数转换器(2)的信号输入端与运放U₂的输出端相连接；单片机(1)的信号输出端与数字电位器R₂的控制端相连接，数字电位器R₂的一端接地；数字电位器R₂的另一端连接在电阻R_f和R₁之间；还包括一个运放U₁，运放U₁的反向输入端连接有电容C_d，电容C_d的另一端接地；运放U₁的同相输入端与电阻R₃相连接，电阻R₃的另一端接地；运放U₁的输出端通过电阻R₄与运放U₂的反相输入端相连接；电阻R_f不与数字电位器R₂连接的一端与运放U₁的反相输入端相连接；电阻R₁不与数字电位器R₂连接的一端与运放U₁的输出端相连。

2.如权利要求1所述的光电二极管用T型网络自动增益控制前置放大电路，其特征在于，电阻R₁、R₃、R₄、R₅、R_f采用低温飘电阻；电容C₁、C₂、C₃采用低温飘电容。