红外密集度光电立靶中放大电路的设计

摘要：提出了一种红外光电立靶测试系统中前置放大电路的设计方案。该方案打破了传统设计中采用超大β管或利用仪表放大器增益可编程性来获取所需放大倍数的方法，选用低噪声运算放大器和仪表放大器组成电路。同时简单论述了噪声放大电路设计中的屏蔽和接地措施。 关键词：密集度 光电立靶 前放 干扰 噪声 在靶场测试中，弹丸射击密度是衡量低伸弹道武器性能的一项重要指标。到目前为止，国内靶场在密度集度测量方面已有多种方法，最先进的方法是采用光电靶进行测量。笔者研制了一种四光幕交汇的光电立靶测试系统，该系统以四个无形的光幕（红外光）为靶面，当弹丸穿过四个不同不幕时产生相应的脉冲序列，通过对这四个时间值的解算可得到弹丸的着靶坐标，进而换算出弹丸射击密集度。 在测试中，光电靶的灵敏度直接影响整个系统的测试精度，而影响光电靶灵敏度的关键因素就是信号调度电路中放大电路的放大倍数和信噪比，而此设计性能良好的前置放大电路显得尤为重要。本文介绍了一种采用低噪声运放和仪表放大器组成的前放电路，该电路不仅可以很好地放大微弱信号，而且克服了传统设计方法的弊端，简化了设计，也使得电路结构更为紧凑。 1 测试系统工作原理 光电靶的测试以光电转换为基础，以无形的光幕为靶面。图1所示是光电靶测试的系统框图，其测试原理如下：当有物体穿过光幕时，会引起接收光电管的光通量发生变化，此时，光电管所在电路会产生一个正比于该光通量变化的电信号，处理电路将这个电信号放大、整形、最后以脉冲形式输出，再经过数据处理得到所要测量的物理量。 2 设计要求 该系统中，红外光电管输出的信号十分微弱，最大约为10mV，如果此输出信号直接输入到后续电路，则往往会被噪声淹没，要有效利用这个输出信号，就必须对其进行放大。在一般情况的光电检测系统中，光电敏感器件的输出端都紧密连接一个低噪声前放大器，它的任务是：放大光电敏感器件所输出的微弱电信号，并匹配后续调理电路与光电敏感器件之间的阻抗。根据该系统要求，由光电敏感器件输出的微弱电信号应被放大800倍左右，因此，对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力、良好的线性和抗干扰能力、结构紧凑、靠近光电敏感器件并具有良好的接地和屏蔽。 3 设计方案 该前置放大器电路的设计要从以下几个方面考虑：首先应满足放大电路的高信噪比和信号源阻抗与放大器之间的噪声匹配（所谓噪声匹配是指信号源阻抗等于最佳源阻抗，使得放大电路的噪声系数最小）；其次，要考虑电路组态、形式等以满足对放大器增益、频响、输入输出阻抗等方面的要求；最后通牒，还应采取一定的方法来减少噪声，采取屏蔽以及接地措施以尽量避免信号受到外来的干扰。 3．1 传统方法 传统的放大器电路设计方法是采用超大β管或直接利用仪表放大器增益的可编程性来获取所需要大倍数。按照传统方法，若采用晶体管组成放大电路则输入阻抗较低，尤其在放大微弱信号时会影响输入信号的质量；若采用场效应管组成放大电路，虽然具有高的输入阻抗，但相比较而言它的温漂大、稳定性差，同时不管采用晶体管和还是场效应管，均使得整个电路设计比较复杂，组装和调试也不方便，结构不够紧凑；若直接采用仪表放大器进行高增益单级放大，则不能使仪表放大器达到最佳性能。例如：则若输入失调电压为0.5mV，放大10000倍后可达5V。一般情况下，可利用仪表放大器作前级放大，然后再经过后级放大，但采用仪表放大器组成多级放大电路，将会增加制作成本。 3．2 器件选择 为了满足低噪声放大器对噪声匹配的要求，应选择合适的源电阻，因为源电阻的大小是选以一级放大元件的重要依据。源电阻小于100Ω时，可用变压器耦合，源电阻在100Ω至1MΩ之间可选用晶体管，源电阻在1k Ω至1MΩ之间可以选用运放，源电阻在1k Ω至1GΩ之间多采用结型场效应管（JEFT），源电阻超过1MΩ也可选用MOSFET。 由于所选红外光电管的输出电阻为20kΩ,因此选用晶体管、运算放大器、结构场效应管均可。相比较而言，运算放大器输入阻抗高、失调和漂移较小、共模抑制比高、对温度变化、电源波动以及其它外界干扰具有较强的抑制能力，因此适用于放大微北信号，同时采用运算放大器也可使电路设计简化、组装调试方便、功耗低、体积小、可靠性高。 为了获得低噪声放大电路，应选用低噪声元器件。电阻选用金属膜电阻，电容选用钽电容或瓷介电容，信号输入线应采用尽量短的屏蔽电缆，电路板选用漏电流小的高绝缘电路板。 3．3 新型方案实现 根据系统要求，光电管输出的原始信号应被放大800倍左右，若采用单级放大电路，则当放大倍数较高时，可能会导致电路自激，而避免自激的常用方法就是压低放大电路对信号的放大倍数。因此，本设计采用低噪声运算放大器和仪表放大器构成两级放大电路，前级由低噪声运放放大8倍，后级由仪表放大器放大100倍，两级级联即可获得所需放大倍数。 图2 光电靶测试系统中放大电路的原始图如图示所示，图中，一级放大采用ADI公司的低噪声运算放大器AD829，并设计为负反馈放大电路。AD829是一种高速、低噪声运算放大器，它的等效输入噪声电压密度较小，其最大值为2nV/(Hz )1/2，等效输入噪声电流密度的最大值为1.5p A/(Hz )1/2，电源电压范围为%26;#177;5"%26;#177;15V，具有0.04o的相位偏差为0.02%的增益偏差并具有良好的动态特性。根据理想运算放大器的特点和虚短、虚新的概念，可知运放两输入端电压相等，即：U+=U -,又有Uin =U+,由此可得流过电阻R3的电流为： IR3=U-/R3=U+/U3=Uin /R3 运算放大器的输出为： Uout =IR3 (R2 +R3 )=Uin(R2+R3 )/R3 因一级放大倍数为8位，选择电阻R2=7R3，由此可得到运放输出为： Uout =Uin(R2+R3 )/R3 =Uin (7R3+R3 )/R3=8Uin 二级放大电路采用BB公司的INA103。INA103是低噪声仪表放大器，它的等效输入噪声电压密度最大为1n V /(Hz )1/2。电源电压范围为%26;#177;9V"%26;#177;25V，具有大于是100dB的高共模抑制比、好的动态特性和1"1000的增益变化范围。 本设计采用了INA103的一种典型用法，只外接了电阻R4、R5和电位器RW，电阻R4与R5阻值相等且等于电位器RW阻值的一半，推荐最大使用值为RW=100 kΩ、R4=R5= 50kΩ。该方法能提供补偿电压同时使输入端电流基本不变。 光电管输出信号经电容耦合到集成运算放大器的输入端，两级放大电路之间采用阻容耦合方式进行耦合。阻容耦合方法中放大电路的静态工作点是独立的，即前、后级无关，也就是说它能隔离各级静态之间的相互影响，使得电路总温漂不会太大。 噪声和干扰信号能够通过多种渠道影响放大电路，在实际应用中必须采取必要的措施以尺可能降低噪声和干扰信号的影响。在电路中，为了防止电源波动带来的干扰，在电源输入端跨接了大小合适的陶瓷电容，适当时候还可采用电池供电。在电路板制作中导线应尽量加宽，同时在功耗不是首要因素时选用阻值较小的电阻来减小电阻带来的噪声。 4 屏蔽与接地措施 在微弱信号的检测中，由于有用信号极其微弱，其量级通常非常低，会被强大的噪声所淹没，因此要设计这样的放大电路，应采用合理的屏蔽和接地技术，以最大限度地降低外部干扰、耦合等噪声。 4．1 屏蔽措施 在本系统，放大电路和红外光电管被共同放置在金属盒中，金属盒对整个放大电路来说相当于一个屏蔽罩，从而起到了屏蔽作用。在电路连接中应该注意以下两点：第一，导线屏蔽层应在信号接地处与零信号参考电位点相连。这样，屏蔽可看成不需要电流返回接地点的泄露通道；第二，若要使静电屏蔽罩有效，就必须将屏蔽罩内电路的零信号参考电位点与屏蔽罩相连接。如果信号地或接大地，那么屏蔽罩也要接地或接大地。如果信号不接地或大地，则屏蔽罩也不能接地或大地。 4．2 接地措施 一般接地按其作用可分为保护接地和信号接地两类。低噪声放大器中的接地主要是指信号接地，接地的目的是希望放大器所有彼此连接的接地点对地的阻抗尽量小，从而降低地线电流对放大顺的影响。为了降低地线阻抗，最简单的办法是电路就近接地，同时尽量避免使用很长的接地线。通常，当工作频率低于1MHz时，可采用一点接地方式；当频率在1"10MHz之间时，如用一点接地，其地线总长度不得超过波长的1/20，反之，则应使用多点接地；当频率高于10MHz时，应采用多点接地。根据系统的工作频率，本设计采用了多点接地形式。多点接地示意图如图3所示。此外，还应注意整个电路电源线、地线的走向应与数据传递方向一致。但要避免交叉。在满足其它要求的基础上，应尽量加密地线以降低地线的阻抗。 5 实验测试 本文所介绍的放大电路经长时间通电测试，表现出输出电压漂移小、信噪比高、稳定度较高，线性度良好的特性。根据光电靶工作原理以及气枪弹形状，可知当气枪弹丸穿过光幕时，光电管会输出一个由小到大再由大到小的渐变信号。气枪弹进行射击时放大电路的实验数据如表1所列。 表1 放大电路实验数据 Vi(mv) 1.00 2.20 4.40 6.80 7.65 5.45 7.00 6.58 8.80 Vo(mv) 799.00 1750.0 3500.0 5425.0 6125.0 4375.0 5600.0 5250.0 7000.0 Av 799.0 795.5 795.5 797.0 800.6 802.7 800.0 797.8 795.5 其中：Av=798.8,ΔAv=7.2,ΔVv%=0.72%<1% 通过实验发现：光电管本身的热噪声和散粒噪声以及外部光源（如日光）的影响会使得光电管的输出产生1MHz以下的低频干扰。由于AD829的INA103对联MHz以下的信号不产生放大作用，因此能够抑制这种噪声信号，而晶体管和场效应管通频带宽不能抑制这种噪声信号，为此需附加硬件电路，这样会使得电路结构更加复杂，不利于调试和安装，也影响了电路的稳定性。 6 结论 红外密集度光电立靶已经在某靶场投入使用，而且工作稳定，能够达到弹丸散布测试要求。由此可见，该放大电路完全符合设计要求，它能够较好地放大微弱信号，而且工作稳定，具有较好的抗干扰和抑制噪声能力，可广泛应用于弱信号的放大。