扩大传感器系统的动态范围是精确测量和仪器化方面的一项根本挑战。传感器必须准确捕捉从微量环境波动到高强度工业过程等规模的信号。围绕业务放大器、晶体管和适应增益控制而建的主动电路提供了扩大弱信号、抑制噪音和防止强输入的饱和的手段。 本条扩展了动态电路的设计原则、组件选择和现实世界应用,为工程师们提供了建设强健的高性能传感器系统的实际框架。

传感器中的动态范围

传感器中的动态范围被定义为最大可探测信号与最小可探测信号的比例,通常以分贝(dB)表示. 例如,一个具有100 dB动态范围的传感器可以区分1 μV信号与10 V信号,而不会扭曲或失去分辨率. 广泛动态范围对于音频记录,医学诊断,环境监测等应用来说至关重要,因为信号水平差异很大.

对动态范围的限制来自噪音底,饱和限和非线性。 噪音底线定义了最小的信号,可以区别于背景噪声。 当输入超过传感器最大额定水平时,饱和度就会发生,导致剪切或扭曲。 扩展动态范围需要降低噪音底线,增加饱和度阈值,并在整个操作区域保持线性。

活动电路在扩展范围中的作用

主动电路在被数字化或处理之前修改传感器信号,它们主要履行三种功能:放大弱信号,减弱或限制强信号,以及阻碍缓冲以防止加载效应. 最常见的主动组件包括操作放大器(op-amp),晶体管放大器,以及专用自动增益控制(AGC)电路.

操作放大器和信号条件

Op-amp是模拟信号处理的功率。其高开阔增益和灵活的反馈配置能够精确放大、过滤和水平变化。对于动态范围扩展,Op-amp用于非反向放大器阶段,并使用精心选择的反馈阻力器设定增益,而不会增加过多的噪音。 了解的op-amp基本原理[对于选择输入噪音低、命中率高和供给电压范围广的合适设备至关重要。

自动增益控制( AGC)

AGC 电路根据输入信号振幅动态调整放大器的增益,这使得系统尽管输入变化很大,仍能保持恒定输出水平. AGC 的典型循环包括一个可变增益放大器(VGA),一个信封探测器,以及一个反馈控制器. VGA 的增益在出现强信号时会减少,防止饱和,在信号弱时会增加,以保持信号对噪比. Texas 仪器在设计通信和传感器系统的AGC 循环时会提供详细的应用说明[.

高频应用的晶体管放大器

对于在无线电频率运行或需要非常宽带宽的传感器,离散晶体管放大器(BJT或FET)比集成的op-amp提供优异的增益和噪声性能. 常见的元件和共源地形,结合cascode配置,可以通过尽量减少米勒电容和改善线性来实现广泛的动态范围. 工程师们经常使用IEEE关于低噪声放大器的研究论文作为优化这种设计的参考.

动态区域扩展的设计考虑

为动态范围扩展设计一个活动电路需要平衡多个经常相互冲突的参数:增益、带宽、噪音、线性以及功耗。 下面是需要认真关注的关键领域。

噪声优化

主动电路所增加的噪音必须最小化,以保持传感器的内在动态范围。 这涉及到选择低噪音的op-amp,同时使用适当的终止电阻器,以及使用屏蔽和布局技术来减少外部干扰。 信号链的总体噪声数字(NF)应当以第一级放大器为主,以最大限度地扩大信号与噪声的比例。

线性与扭曲

放大器的非线性会生成可以遮蔽小信号或引起假读的谐波和调值产品. 改进线性的技术包括使用负反馈,选择具有高开径增益的设备,并在放大器转移曲线的线性区域内运行. 对于高线性要求,考虑使用总和调值扭曲率较低的精密的同位素(THD).

供应室和饱和保护

主动电路必须有足够的供给前厅,以容纳预期的信号摇摆而无需剪接,这意味着选择具有铁路对铁路输出能力的Op-amp或提供分流供给,此外,还可以使用输入保护二极管和电压夹来防止大瞬间信号造成过压损坏.

电力消耗和热管理

在便携式或低功率传感器系统中,活动电路的动力预算必须谨慎管理。 低功率的Op-amp和次电位晶体管操作可以减少消耗,但以带宽和噪音性能为代价。 热力设计也很重要,因为自热会导致抵消电压和增益的漂移。

进一步扩展范围的先进技术

除了基本的放大和AGC外,几种先进的模拟技术可以进一步推动动态范围.

对数放大符

日志放大器通过应用对数传输函数将宽输入范围压缩到较小的输出范围。这对产生持续数十年的信号的光电极或加速计等传感器特别有用。输出电压与输入电流的对数成正比,使单个放大器能够处理微弱和强烈的信号,而无需切换增益阶段。

兼容(压缩和扩展)

companding是一种从电信中借用的技术,在信号在发射机(或传感器前端)压缩,在接收器(或ADC)扩展. Analog compandors使用信封追随者控制的可变增益放大器,这可以保持信号的相对振幅,同时将一个宽动态范围配置到一个更窄的路径.

数字校准和混合符号整合

现代系统经常将主动模拟电路与数字信号处理(DSP)相结合. 数字化后,数字处理器可以应用非线性校正,抵消去除,以及适应性过滤来恢复否则可能丢失的信号. 电子设计杂志涵盖数字校准技术[,补充模拟范围扩展.

传感器系统中的应用程序

积极动态范围扩展在广泛的传感器技术中实施。

医疗成像

在计算成像(CT)和磁共振成像(MRI)等模式中,来自探测器的信号可以变化80-100 dB. AGC和可编程增益放大器(PGA)用于调整每个获取线的前端收益,确保低相突变软组织和高密度骨的图像不饱和. 医学设计资源经常强调低噪放大器在这些系统中的重要性.

光学和光学遥感

光探测和测距(LiDAR)传感器必须探测远方物体的弱回射,同时避免来自附近高度反射的表面饱和. 具有自动增益控制的跨形放大器用于在全回射动态范围内保持线性. 高级的LiDAR系统使用对数放大器处理整个信号链而无需增益切换.

环境监测

水质传感器、空气粒子计数器和辐射探测器需要操作在广泛的浓度范围内。 比如,一个涡轮传感器可以从0.01 NTU(清水)到1000 NTU(湿水)进行测量。 一个具有可选择增益步骤的前端放大器,加上一个选择适当范围的微处理器,可以进行准确监测,而无需人工干预。

航空航天与国防

飞机和卫星中的传感器在极端温度变化、辐射和机械压力下运行。 主动电路的设计必须采用加硬组件和冗余增益路径。 雷达接收器中采用诸如companding等动态射程扩展技术来探测隐形目标,同时充分暴露附近轰炸机的大规模回报。

结论

创造动态范围扩展的主动电路是一项多学科工作,将模拟电子、信号处理和系统层面的设计结合起来。 通过仔细选择诸如op-amp和AGC模块等组件,优化噪音和线性,以及应用对数放大和压缩等先进技术,工程师可以建立能以高度忠心性在广大动态范围捕捉信号的传感器系统。 随着传感器应用进入日益苛刻的环境 — — 从深海探索到量子感知 — — 活电路在扩展动态范围中的作用将变得更加重要。