一种自适应的光电前端放大器电路的制作方法

1.本实用新型涉及放大器电路，具体是一种自适应的光电前端放大器电路。


背景技术：

2.用于光电检测的前端放大器的输入信号通常都是很微弱的na级电流信号，需要有足够的放大倍数放大后，后续才能对输出信号进行分析；而放大倍数的设置又与电路的稳定性相关，放大倍数越大，电路就越不稳定，适应差；图1是一种直耦式放大电路，这类电路针对工作参数作细致调整后，也能很好的工作在理想状态，但适应性不好，光电探头的性能发生改变或者工作条件发生改变的时候，就会导至电路工作失常，比如漏电、漏光等情况。同时，芯片的失调电压会影响到电路的工作状态，比较挑芯片。这类电路的工作点是固定的，工作条件和范围也有限，如图参数的放大灵敏度是200mv/na，最大值25na的输出变化幅度就会达到电源电压5v。这个电路的输入范围包括了有效信号和环境信号。如果环境信号太大，就会挤占有效信号的空间，环境信号是常量，会影响后级的工作点，所以适用性不宽；一个设计好的，正常情况下也能正常工作的电路，在受到环境因素影响后，就会工作失常。比如因受潮漏电后，r8的阻值就会变小，从而影响u2a的输出，继而大范围的影响u2b的输出，导至工作失常。又比如环境光电流增大(如前分析，超过25ua就会失常)，会直接削弱后级输出的动态范围乃至导至后级超出线性工作区，出现饱和或者截止的状态。
3.下面说到一种交流耦合式放大电路，如图2所示，由于是交流耦合，所以上电之初有通过电阻r2对电容c2充电的一个过程，所以稳定时间时间较长，8ms左右，并且输出波形也会发生畸变，稳定时间的变长不利于低功耗特性要求，减小c2的容值可以缩短稳定时间，但输出波形变形会更严重！如下图3所示电路，由于是交流耦合，这个电路的工作范围要大得多，与范围相关的主要是前级，只要前级还在线性工作区，给后级留有余量来处理变化电流就可以；如图参数，前级的跨导电阻是1m，输入电流可以达到4ua，此时前级输出电压是4.5v，还有500mv的余量来放大变化电流，如此对于特殊应用还是比较有用的，比如无迷宫式的烟雾报警器。由于无迷宫，所以红外接收管对环境光的电流也会被放大，环境光电流是到ua级了，这种交流耦合的电路的好处是能放大常态电流达ua级中的na级的变化电流。
4.另一种理想的放大电路如图4所示，直接在后级给出一个合适的参考电压v4，这是最为理想的，这个电路稳定快，波形不失真，如图5；和图1的电路相似，缺点就是适应差，固定的参考电压的工作范围不大，工作条件相对严格。如果用da来配置参考电压v4，那么这个电路就完美了，只是成本高了。高精度da本来就是国内行业的痛点。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种自适应的光电前端放大器电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种自适应的光电前端放大器电路，包括运放u3a、运放u3b、电阻r13、程控开关s1
和电容c1，所述电阻r13一端分别连接电源v5正极、运放u3a同相端和输入信号i3，电阻r13另一端分别连接电阻r10、电容c3、运放u3a反相端和输入信号i3另一端，电阻r10另一端分别连接电容c3另一端、运放u3a输出端、程控开关s1一端和电阻r14，电阻r14另一端分别连接电阻r15和运放u3b同相端，运放u3b反相端分别连接电阻r11和电阻r12，电阻r12另一端连接到运放u3b输出端，所述电阻r11另一端分别连接运放u4a输出端和运放u4a反相端，运放u4a同相端分别连接电容c1和程控开关s1另一端，所述电阻r15另一端分别连接电源v5负极、控制信号v3一端、电容c1另一端、运放u4a接地端、运放u3b接地端并接地，控制信号v3另一端连接程控开关s1，为程控开关s1供电，所述运放u4a和运放u3b电源端均连接到5v直流电源。
8.作为本实用新型再进一步的优选方案：所述电阻r10、电阻r12的阻值通过程控控制。
9.作为本实用新型再进一步的优选方案：所述电阻r15的阻值通过程控控制。
10.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型对于任意工况，只需要根据输入信号变量的大小调节放大倍数后，再微调一下电阻r15的值，就能使整个电路处于最优工作状态，输入信号的常态大小几乎与输出无关，适用性更为广泛，稳定性更好。
附图说明
11.图1为一种直耦式放大电路的电路图。
12.图2为一种交流耦合式放大电路的电路图。
13.图3为图2的输出波形图。
14.图4为一种理想的放大电路的电路图。
15.图5为图4的输出波形图。
16.图6本实用新型的电路图。
17.图7为本实用新型理想状态下10na脉冲电流的放大输出波形图。
18.图8是本实用新型常态1000na电流上的10na脉冲的放大输出波形图。
19.图9是本实用新型常态4000na上的10na脉冲的波形图。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.请参阅图1，本实用新型实施例中，一种自适应的光电前端放大器电路，包括运放u3a、运放u3b、电阻r13、程控开关s1和电容c1，所述电阻r13一端分别连接电源v5正极、运放u3a同相端和输入信号i3，电阻r13另一端分别连接电阻r10、电容c3、运放u3a反相端和输入信号i3另一端，电阻r10另一端分别连接电容c3另一端、运放u3a输出端、程控开关s1一端和电阻r14，电阻r14另一端分别连接电阻r15和运放u3b同相端，运放u3b反相端分别连接电阻r11和电阻r12，电阻r12另一端连接到运放u3b输出端，所述电阻r11另一端分别连接运放u4a输出端和运放u4a反相端，运放u4a同相端分别连接电容c1和程控开关s1另一端，所述电
阻r15另一端分别连接电源v5负极、控制信号v3一端、电容c1另一端、运放u4a接地端、运放u3b接地端并接地，控制信号v3另一端连接程控开关s1，为程控开关s1供电(提供开和关的控制)，所述运放u4a和运放u3b电源端均连接到5v直流电源。
22.电路整体上的工作原理和交流耦合类似，但性能又和直耦式相近，好处就是后级的工作点是自适应的，适应方法就是将前级的输出幅度直接作为后级的工作点。
23.本实用新型电路的工作过程如下：
24.1.运放u3a得电，前级输出很快稳定，程控开关s1闭合，运放u3a输出直接给电容c1充电，所以稳定速度很快，后面的波形图中显示是100us就稳定下来了！
25.2.输入信号i3发出的电流脉冲来时，断开程控开关s1，电容c1上的电压通过运放u4a射随后为后级提供稳定的参考电压，后级就能完美的放大电流脉冲，如此一来，这种方式稳定性可比直耦式，适应性可比交耦式，并且很容易实现。
26.3.针对u3b来说，由于有程控开关s1的通断工作状态和电容c1的存在，负输入端的电平始终自动跟随正输入的电平，所以称之为“自适应”，避开了图4中的v4不能任意调节的不足。
27.4.本实用新型也可以不使用u4a，但会在输出波形上的损失，由于脉冲放大后会经由电阻r12和电阻r11反馈到电容c1，改变电容c1的电压。
28.5.在不使用u4a时，可以加大电容c1的容量，起到稳定电压的目的，但如此则会带来功耗上的增加和上电时会增加电路的不稳性。
29.电阻r15可微调(程控)用于抵消u3b的输入失调带来的输出异常。为了好的适应性，电阻r10、电阻r12可程控选择不同阻值来改变放大增益应对各种情况；这种调节在芯片设计中很容易实现。
30.芯片内部的光电放大器按此设计后，大大提高了产品设计的可靠性，适用性更为广泛，稳定性更好。
31.本实用新型电路的调节性也很好，对于任意工况，只需要根据输入信号变量的大小调节放大倍数后，再微调一下电阻r15的值，就能使整个电路处于最优工作状态，输入信号的常态大小几乎与输出无关。
32.图7是理想状态下10na脉冲电流的放大输出波形，图8是常态1000na电流上的10na脉冲的放大输出波形，图9是常态4000na上的10na脉冲的波形，此时可以调节r15至1m，波形基线会下降2v。
33.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
34.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。