一种具有高动态范围的前置放大电路设计及实现-AET-电子技术应用

一种具有高动态范围的前置放大电路设计及实现

2020年电子技术应用第11期

刘松1，2，吴先梅1，2，孔超1

1.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049

摘要： 压电式电容型传感器在工作时能输出正比于被测物理量的电荷量，具有较好线性度的同时也具有较高灵敏度，在许多领域中都得到了广泛应用，但该类传感器在工作时所产生的电荷量通常比较微弱，需要对其适当放大以便后续进行处理。通过分析压电式电容型传感器的等效电路模型，结合电路理论和Multisim仿真，设计了前置放大电路。由于该前放电路主要针对小信号的放大需求进行设计，在大信号输入时输出信号会产生畸变。而在实际工程应用中，常出现输入信号中小信号和大信号并存的情况。为了能够对输入信号动态范围较大时的小信号和大信号都实现无失真放大，改进了之前的前置放大电路设计，对其进行了Multisim仿真和实验电路测试。结果表明改进后的前置放大电路在输入信号频率为10 kHz时，其输入信号电压幅值最高可达600 mV，且小信号和大信号的放大均无失真，放大倍数也基本相同，说明该电路设计实现了高动态范围的输入信号的无失真放大需求。

关键词： 压电式传感器前置放大电路

中图分类号： TN721
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200601
中文引用格式： 刘松，吴先梅，孔超. 一种具有高动态范围的前置放大电路设计及实现[J].电子技术应用，2020，46(11)：114-121.
英文引用格式： Liu Song，Wu Xianmei，Kong Chao. Design and implementation of a preamplifier circuit with high dynamic range[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(11)：114-121.

Design and implementation of a preamplifier circuit with high dynamic range

Liu Song1，2，Wu Xianmei1，2，Kong Chao1

1.State Key Laboratory on Acoustics，Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract： A piezoelectric capacitive sensor can output charges directly proportional to the physical quantity to be measured in work. Due to excellent linearity and high sensitivity, it has been widely used in many fields. However, since the quantity of charges generated by such a sensor in work is relatively weak, it is necessary to amplify the charge signal for subsequent processing properly. A preamplifier circuit is designed by analyzing the equivalent circuit model of the piezoelectric capacitive sensor combined with circuit theory and Multisim simulation. As the circuit is mainly designed for amplifying signals with small amplitudes, the output signal will be distorted once it is used for an input signal with large amplitude. But in practical engineering applications, small and large input signals often appear at different conditions. To realize distortionless amplification for both small and large input signals, the design of the former preamplifier circuit is improved. Then Multisim simulation and experimental circuit testing are also carried out successively. The simulating and experimental results both show that when the input signal frequency is 10 kHz, the input signal with the amplitude up to 600 mV can be distortionless amplified by this improved preamplifier circuit. There is also no distortion when amplifying small signals. The amplification ratio is almost the same for small and large signals. These results prove that the preamplifier circuit design can realize distortionless amplification for an input signal with a high dynamic range.

Key words : piezoelectric sensor; preamplifier circuit

0 引言

随着电子信息科学与技术的发展，传感器技术已在交通、机械、电力等领域中广泛应用，与之相应的传感器信号处理技术也取得了长足进步。现有的许多传感器，如压电式加速度传感器、PVDF压电薄膜传感器、压电式水听器等电容型传感器^[1]在工作时能输出正比于被测物理量的电荷量，在具有较好线性度的同时也具有较高的灵敏度。但该类传感器在工作时所输出的电荷量都比较微弱，为了能方便地提取并处理该信号，通常需要相配套的前置放大电路对该电荷进行转换以及适当放大^[2-4]。目前，学者们的研究重点主要在微电荷的采集及信号的放大。韩星晨等^[5]基于PVDF压电薄膜的等效电路模型设计了相配套的前置放大电路，并分析了电路中的噪声，由电路的实验测试结果与理论计算结果相符合表明其前置放大电路设计的正确性。张微等^[6]针对油气井出砂检测中压电式传感器检测到的出砂信号弱、频率高等特点，研究并设计了相配套的前置放大电路，它是由电荷放大器、带通滤波器、过载指示等电路组成，其电路Multisim仿真与实验测试的结果表明该前置放大电路适用于检测出砂信号。胡志峰^[7]针对许多领域中所涉及的微弱信号检测，研制了一种高增益、低噪声、输出无失真的前置放大电路，其电路仿真与实验测试的结果表明该前置放大电路能无失真地放大低频微弱信号。刘伟群等^[8]理论分析了分别使用电荷放大器和电压放大器作前置放大电路的前级信号采集电路时对压电式传感器动态性能的影响，其实验测试结果表明：当使用电压放大器作压电传感器的前级信号采集电路时会有更好的动态性能。

前置放大电路在大多数情况下都是用于对小信号进行放大，但对于长期用于现场检测和监测的压电类传感器，由于受到环境温度、湿度、雨雪天气等因素的影响，其接收到的振动信号或声波信号幅值差距可能达到几十倍甚至几百倍，这种小信号和大信号并存的情况就要求与传感器配套的前置放大电路能够对输入信号动态范围比较大的信号实现无失真放大，而之前很少有人开展这方面的研究工作。

为了能够对输入信号动态范围较大时的小信号和大信号都实现无失真放大，基于压电式电容型传感器的等效电路模型，根据实际工程检测中的高输入需求，设计了一种在输入信号频率为10 kHz时，输入信号幅值最高达600 mV且输出无失真的前置放大电路。

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作者信息：

刘松1，2，吴先梅1，2，孔超1

(1.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049)

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