光电二极管用t型网络自动增益控制前置放大电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 自动增益控制（AutomaticGainControl，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。简单的说一就是把输 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：
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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：
[0008] 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。
[0009] 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】
[0010] 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。
[0011] 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R 3以及并联在R 3两端的电容C 1;所述T型反馈网络包括相 互串联的电阻Rf、R1以及连接在R f、R1之间的数字电位器R 2，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R 4、连接在运放队同相输入端和反相输入端之间的电容C 2、 连接在运放U2反向输入端与输出端之间的电阻R 5以及并联在R 5两端的电容C 3;运放U 2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U 2的输出端相连接；单片机的信号输出端 与数字电位器馬的控制端相连接，数字电位器R2的一端接地；数字电位器R 2的另一端连接 在电阻心和R i之间；还包括一个运放U i，运放U1的反向输入端连接有电容C d，电容Cd的另 一端接地；运放U1的同相输入端与电阻R 3相连接，电阻R 3的另一端接地；运放U :的输出端 通过电阻R4与运放U 2的反相输入端相连接；电阻R f不与数字电位器R 2连接的一端与运放 仏的反相输入端相连接；电阻R i不与数字电位器R 2连接的一端与运放U :的输出端相连。
[0012] 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。
[0013] 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