《電子技術應用》
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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。
中圖分類號： TN721
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200601
中文引用格式： 劉松，吳先梅，孔超. 一種具有高動態(tài)范圍的前置放大電路設計及實現(xiàn)[J].電子技術應用，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

    隨著電子信息科學與技術的發(fā)展，傳感器技術已在交通、機械、電力等領域中廣泛應用，與之相應的傳感器信號處理技術也取得了長足進步?，F(xiàn)有的許多傳感器，如壓電式加速度傳感器、PVDF壓電薄膜傳感器、壓電式水聽器等電容型傳感器[1]在工作時能輸出正比于被測物理量的電荷量，在具有較好線性度的同時也具有較高的靈敏度。但該類傳感器在工作時所輸出的電荷量都比較微弱，為了能方便地提取并處理該信號，通常需要相配套的前置放大電路對該電荷進行轉換以及適當放大[2-4]。目前，學者們的研究重點主要在微電荷的采集及信號的放大。韓星晨等[5]基于PVDF壓電薄膜的等效電路模型設計了相配套的前置放大電路，并分析了電路中的噪聲，由電路的實驗測試結果與理論計算結果相符合表明其前置放大電路設計的正確性。張微等[6]針對油氣井出砂檢測中壓電式傳感器檢測到的出砂信號弱、頻率高等特點，研究并設計了相配套的前置放大電路，它是由電荷放大器、帶通濾波器、過載指示等電路組成，其電路Multisim仿真與實驗測試的結果表明該前置放大電路適用于檢測出砂信號。胡志峰[7]針對許多領域中所涉及的微弱信號檢測，研制了一種高增益、低噪聲、輸出無失真的前置放大電路，其電路仿真與實驗測試的結果表明該前置放大電路能無失真地放大低頻微弱信號。劉偉群等[8]理論分析了分別使用電荷放大器和電壓放大器作前置放大電路的前級信號采集電路時對壓電式傳感器動態(tài)性能的影響，其實驗測試結果表明：當使用電壓放大器作壓電傳感器的前級信號采集電路時會有更好的動態(tài)性能。

    前置放大電路在大多數(shù)情況下都是用于對小信號進行放大，但對于長期用于現(xiàn)場檢測和監(jiān)測的壓電類傳感器，由于受到環(huán)境溫度、濕度、雨雪天氣等因素的影響，其接收到的振動信號或聲波信號幅值差距可能達到幾十倍甚至幾百倍，這種小信號和大信號并存的情況就要求與傳感器配套的前置放大電路能夠對輸入信號動態(tài)范圍比較大的信號實現(xiàn)無失真放大，而之前很少有人開展這方面的研究工作。

    為了能夠對輸入信號動態(tài)范圍較大時的小信號和大信號都實現(xiàn)無失真放大，基于壓電式電容型傳感器的等效電路模型，根據(jù)實際工程檢測中的高輸入需求，設計了一種在輸入信號頻率為10 kHz時，輸入信號幅值最高達600 mV且輸出無失真的前置放大電路。




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作者信息：

劉  松1，2，吳先梅1，2，孔  超1

(1.中國科學院聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，北京100190；2.中國科學院大學，北京100049)

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