光导型红外传感器低噪声前置放大器的设计

引言

随着物联网的飞速发展，各类传感器得到了广泛的应用。可使用传感器将各类物理量(如温度、压力、光等)转换为电压、电流参数，经线性化处理后上传到网络，汇总物联网中心进行远程的分析、控制，实现资源共享。但由于要检测的物理量变化较弱，加之传感器的响应率有限，输出的转换信号较低。若与传感器连接的前置放大器设计不当，就会使信号淹没在“噪声”中而无法使用。因此，设计时对传感器前置放大器提出了低噪声的设计要求。

1电子线路中的噪声

1.1噪声定义

电子线路中的噪声分为两大类，外部电磁干扰和电子信息系统内部电子元器件及材料物理学产生的自然扰动。外部干扰噪声可以采用屏蔽的方法进行处理，而系统内部产生的噪声只能通过电子线路设计的优化进行控制，无法根除。

1.2噪声分类

电子线路的噪声按其产生的机理和特点可分为热噪声、1f噪声、散弹噪声和产生复合噪声等。其中，热噪声是普遍存在的，只要具有阻值的电子元器件的工作温度高于绝对温度零度时，均可产生热噪声。热噪声的大小可用下式表示：

其中：为波尔兹曼常数，其值为：1.38X10-23J/K；为导体的绝对温度，单位为K；亳为测量系统的噪声带宽，单位为Hz。本文的其他噪声不在此一一论述。

1.3噪声的叠加

由于噪声是随机发生的，在时域中，在一定的频率范围内,每一单一频率噪声出现的概率是相同且不相干的。其中热噪声

的功率谱密度表达式为:

因此，按照统计学理论，不相干噪声源的叠加，是按照能量进行叠加的。

2光导型红外传感器低噪声电子线路设计

低噪声电子线路的设计在20世纪70年代以前就已经形成了完整的理论体系，尤其是在光电传感器低噪声前置放大器中的应用极为广泛。下面将以红外光导型锑化铟传感器前置放大器为例，论述采用加法器提高信噪比的噪声处理方法。

2.1光导型红外传感器信号提取机理

图1所示是光导型红外传感器信号的提取方法示意图。

图1光导型红外传感器信号提取

图1中,E为电源电压，Rl为偏置电阻,Rs为光导型红外传感器。光导型红外传感器相当于一个光敏电阻，工作时需加偏压。当光照射在传感器上时，其阻值随光强增大而下降,从而使流过电路的电流发生变化，产生的信号通过耦合电容输出。传感器受光前』点的电压为：

当传感器接收到红外光时，其阻值变化量为ΔRS，A点电压变为：

红外传感器产生的光电信号为：

将式（4）、式代入式（6），整理后得：

对（7）式求导得：

由此可知，当偏置电阻的阻值与探测器的阻值相等时，可取得最大信号值。

2.2前置放大器的等效输入噪声

前置放大器的等效输入噪声涵盖了探测器、偏置回路电子元器件的噪声及附加噪声。前置放大器的噪声等效电路如图2所示。

该电路的等效输入噪声电流为：

式中，Ins为传感器噪声电流，InL为偏置电阻噪声电流，Iex为耦合电容噪声电流，En为放大器等效噪声电压，In为放大器等效噪声电流，ZP为等效输入阻抗，ZP=RS//RL//（-jXC），其中噪声电流贡献较大的是偏置电阻产生的噪声电流InL，因其与电阻成反比，在实际应用中希望RL取较大的值。但是由式（7）和式（8）可知，RL与RS偏差越大，取得的光电信号越小。经试验测定，RL等于3~5倍的RS时，所取得的信噪比最大。

在通过前级的偏置匹配取得最佳信噪比后，我们要做的工作是进一步抑制噪声，提高信噪比。具体电路如图3所示。

将多路前置放大器并联输入加法器。由式(3)可知，噪声是按能量进行叠加的。而按照加法器的工作原理，信号是按电压进行叠加的，故有:

而单位时间内的噪声能量(噪声功率)的叠加为：

加法器和前级放大器选用器件相同，故可认为R1和R相等，同时前级各放大器的输岀噪声相等，则有：

经过加法器处理后，相位相同的信号增加了三倍，按能量叠加的噪声增加了西倍，因此信噪比增加了西倍。

若釆用n组放大器并联输入加法器，信噪比可提高而倍。但是，并联输入时，输入阻抗降低了n倍，这会影响前级的阻抗匹配，故不能无限制多级并联。要综合考虑。放大器的主要性能指标如表1所列。

3结语

该前置放大器的设计充分利用了同相位信号与噪声物理特性的差别，因而有效地抑制了噪声，提高了信噪比。线路简单实用，有利于微弱光电信号的检测。故可广泛应用于大气污染检测、水污染监控、温度检测控制、矿井有害气体的监控,为物联网的推广应用提供了支撑。

20211222_61c2041115d95__光导型红外传感器低噪声前置放大器的设计