光電二極管用t型網絡自動增益控制前置放大電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型提出一種寬動態范圍微弱電流信號放大的基于T型網絡的自動增益 控制電路，屬于測量儀器儀表領域。該電路具有增益自動調節、寬輸入動態范圍、寬處理帶 寬、高增益、低直流偏置等優勢，該電路可以作為各種測量儀器設備的電流預放，典型應用 是光電二極管的前置放大。
【背景技術】
[0002] 很多傳感器檢測到的信號強度會在較大范圍內波動，例如各種光電探測器，其中 比較典型的情況是激光遙測系統。該系統中光電探測器接收到的光會因不同反射背景、天 氣條件、測量距離而在較大范圍內波動，波動速度則和系統工作方式有關，背景掃描速度越 快、接收光強波動就越劇烈。而這種波動往往會對傳感器的測量過程造成不良后果，影響測 量結果精度和穩定性，因此在這些探測器的信號放大階段必須盡量減少輸入信號波動、穩 定輸出。
[0003] 自動增益控制（AutomaticGainControl，AGC)電路正是對放大器的增益進行自 動調節的過程，即使輸入信號波動很大經過此電路的輸出信號也會比較穩定。實際上，自動 增益控制電路是輸出限幅裝置的一種，它利用線性放大和壓縮的有效組合對探測器獲取的 波動信號進行調整。當弱信號輸人時，增大放大電路增益，保證輸出信號的強度；當輸人信 號強度達到一定程度時，減小放大電路增益、甚至對其進行抑制，使聲輸出幅度降低。自動 增益控制的核心是根據電路實際輸出幅值的大小及設定的幅值參數，獲取一個增益的增量 /或減量，并對這個增量或減量進行積分，獲取控制電路的實際增益。簡單的說一就是把輸 出信號取出一部分處理之后返回輸入端控制放大器或者處理電路的增益，使之保持在一個 水平之內。用于各種領域的AGC電路種類繁多，一般存在以下問題：
[0004] 1)難以兼顧較好的放大線性效果和較大的增益控制范圍，很多模擬或數字的AGC 系統為了增大增益控制范圍，往往會因系統幅頻和群時延特性變化而造成信號嚴重失真。 而在有些領域，恰恰對這兩個性能都有要求，例如一些基于波長調制的激光光譜測量系統， 一方面系統中的光電探測器接收光強波動范圍巨大、另一方面參數反演過程需要良好的接 收信號線性度。
[0005] 2)很多AGC方案為了解決增益控制范圍的問題，會采用多級AGC級聯，使電路結構 和控制過程變得復雜、增大控制時延，從而難以適應包絡變化頻率較高的信號。AGC電路的 級聯還會影響其工作穩定性，容易造成放大過程飽和或者自激。
[0006] 3)常用的基于可變增益放大器、檢波電路和控制電平產生電路的模擬AGC系統抗 噪聲性能差、環境穩定性差、增益控制范圍小且難以實現高精度增益控制，另外，受限于可 變增益放大器的帶寬，這些AGC電路難以適用于寬帶微弱的光電探測器前置放大。
[0007] 光電探測器的輸出一般可以看作電流源，但是該電流會隨著光強的變化而在一個 較大的范圍內波動，因此合適的電流電壓轉換電路是提高光電探測器效能的關鍵因素。光 電探測器的電流很弱的時候，為了得到較大的輸出電壓，往往需要增大感應面積或加大轉 換電阻值，但是這樣會影響輸出帶寬和噪聲特性。光電探測器的電流電壓轉換電路常用跨 阻放大方案，這種放大電路一般存在以下問題：
[0008] 1)和光電探測器產生的電流相比，一般運算放大器都會有一個比較明顯的輸入偏 置電流，該電流經過跨阻放大電路中較大的反饋電阻后，會在輸出端產生一個較大的直流 偏置，造成測量誤差。
[0009] 2)光電探測器的感應面積越大、其結電容越大，該結電容與跨阻放大器的反饋電 阻會嚴重限制放大電路的工作帶寬。當探測器感應到的光強很弱時，為了獲得較大的放大 輸出信號，往往需要一個很大的反饋電阻。選定一個探測器，結電容不變，反饋電阻越大、放 大電路的帶寬越窄。很多測量信號的頻率要求較高，在光強較弱時，放大信號往往會嚴重失 真。
【發明內容】
[0010] 本實用新型針對目前光電探測器接收信號放大過程中存在的上述問題，提出一種 AGC前置放大方案，該方案在光強大范圍波動的應用前提下，不僅能夠實現包絡穩定的電壓 信號輸出，而且能夠減小輸出信號帶限失真和偏置電壓、控制系統噪聲。
[0011] 本實用新型是采用如下技術方案實現的：一種光電二極管用T型網絡自動增益控 制前置放大電路，包括預放補償電路、T型反饋網絡、檢波電路和單片機模數轉換與控制電 路；所述預放補償電路包括電阻R 3以及并聯在R 3兩端的電容C 1;所述T型反饋網絡包括相 互串聯的電阻Rf、R1以及連接在R f、R1之間的數字電位器R 2，所述檢波電路包括運放U2、連 接在運放U2反相輸入端的電阻R 4、連接在運放隊同相輸入端和反相輸入端之間的電容C 2、 連接在運放U2反向輸入端與輸出端之間的電阻R 5以及并聯在R 5兩端的電容C 3;運放U 2的 同向輸入端接地；單片機模數轉換與控制電路包括單片機以及與單片機信號輸入端相連接 的模數轉換器；模數轉換器的信號輸入端與運放U 2的輸出端相連接；單片機的信號輸出端 與數字電位器馬的控制端相連接，數字電位器R2的一端接地；數字電位器R 2的另一端連接 在電阻心和R i之間；還包括一個運放U i，運放U1的反向輸入端連接有電容C d，電容Cd的另 一端接地；運放U1的同相輸入端與電阻R 3相連接，電阻R 3的另一端接地；運放U :的輸出端 通過電阻R4與運放U 2的反相輸入端相連接；電阻R f不與數字電位器R 2連接的一端與運放 仏的反相輸入端相連接；電阻R i不與數字電位器R 2連接的一端與運放U :的輸出端相連。
[0012] 低噪聲運算放大器結合T型網絡和偏置電壓補償電阻構成AGC前置放大。
[0013] 檢波電路是第二級放大，采用有源二階窄帶低通濾波器，在提取高頻交流信號慢 變包絡的同