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红外密集度光电立靶中放大电路的设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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1kΩ至1MΩ之间可以选用运放,源电阻在1kΩ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

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