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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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光声光谱仪高增益低噪声前置放大器和窄带通滤波器

Sapna1巴斯卡尔2，帕瓦提2，伊曼纽尔J3.
  1. 研究学者，仪器技术，古尔巴加大学，P.G.中心，Raichur, KA，印度
  2. 教授，仪器技术，古尔巴加大学，P.G.中心，Raichur, KA，印度
  3. 客座讲师，仪器技术，古尔巴加大学，P.G.中心，Raichur, KA，印度
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

本文试图设计和研制一种用于光声光谱仪(PAS)的高增益低噪声前置放大器和窄带通滤波器。设计并制作了增益为1000的两级前置放大器和二阶状态变量窄带通滤波器。前置放大器和窄带通滤波器电路采用低噪声运放LM308电路设计。这种结构提高了光声(PA)信号的灵敏度和信噪比。用炭黑和液晶样品研究了PA电池的频率响应。PA细胞的共振频率为345Hz。在样品上加调制激光和不加调制激光两种情况下，对系统的性能进行了测试，发现采用本研究设计的前置放大器和窄带通滤波器后，系统的信号质量得到了改善。

关键字
前置放大器，窄带通滤波器，光声，光谱仪，低噪声。

介绍
现代测量系统是科学技术的成果。精密测量系统在科学技术中起着重要的作用。毫无疑问，一些研究人员通过各种技术设计了各种前置放大器和窄带通滤波器。当尝试低电平测量或高分辨率测量时，信噪比是需要考虑的最重要参数[1-2]。前置放大器对来自换能器/检测器的信号进行进一步放大。它的主要功能是从探测器中提取信号，而不干扰固有信噪比[3]。高增益前置放大器已经上市，也可以使用fet / mosfet等分立元件和LM308、OP07等低噪声集成电路来构建。
必须指出的是，即使使用最好的电子电路，放大器噪声也超过了换能器本身[4]产生的信号，导致检测灵敏度远远低于由麦克风膜片位移[5]确定的理论极限。一些研究人员已经描述了几种用于麦克风和压电换能器前置放大器的电路[6-8]。与带有fet / mosfet的前置放大器相比，使用具有低温度系数和大反馈的运算放大器在输入级大大降低了增益随温度的漂移。有内置MOSFET放大器的驻极体麦克风，这使得它们很容易耦合到中等高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的输出通常用于窄带通滤波器，以提高信号质量。
滤波器可以大致分为两种类型，即无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器的一个严重限制是必须总是使用指定的源和终止阻抗，除了补偿信号遭受的严重衰减之外。级联滤波器也不是一个直接的解决方案，尽管设计滤波器，使他们的源阻抗和终止阻抗是相等的。额外的隔离放大器将被插入级联滤波器部分之间。由于源端与输入滤波器端段、滤波器输出端与输入放大器段或滤波器端端端端端负载之间的非理想匹配，这导致了滤波器特性的严重失真[9-11]。另一个主要缺点是必须使用笨重和非线性电感低和甚低频滤波器。
运算放大器在集成电路形式的可用性极大地改变了滤波器设计的概念，导致有源滤波器的出现。今天，大多数低频滤波器都是这种类型的，特别是对于低于100 kHz的频率。用于低频滤波器的有源电路的特殊优点是可以完全避免电感。然而，由于IC有限的增益带宽积及其对滤波器特性的影响，这些滤波器被限制在几百千赫兹。最近推出的廉价通用FET输入运算放大器在有源滤波器的设计中特别有用[12- 13]。
PAS是研究相变和不同样品热力学方面的最佳和最可靠的科学/分析仪器之一[14-15]。该仪器采用PA单元对待测样品进行放置。PA单元的输出是一种极低振幅且隐藏在噪声中的声音信号。这个声音信号需要被放大和过滤以便进一步分析。为此，我们需要一个高增益低噪声前置放大器和窄带通滤波器。为此，本文设计并制作了一种高增益低噪声前置放大器和提高信噪比的窄带通滤波器，用于光声光谱仪的应用。
文献调查:
从文献调查中可以发现，有几位作者提出了不同的前置放大器和窄带通滤波器的设计，这些设计各有优缺点。Kurihara, Y.等人设计了一种直流耦合单输入前置放大器，具有更宽的低频和轨对轨跨导放大器，用于电容式传感器，如电容驻极体薄膜型传感器[16]。Jawed S.A.等人设计了一种用于MEMS电容式传声器的多功能两级斩波稳定前置放大器。通过数字控制前置放大器[17]中的电容组，可以调节增益和高通滤波角。Rieger.R。等人设计了一种用于神经袖口电极记录的低噪声前置放大器，其中讨论了用于植入式神经假体的神经信号前置放大器设计中的一些重要问题，并描述了用0.8 μm双金属双聚工艺制作的完整前置放大器的设计和评估[18]。Hunter I.C.等人提出了电子可调谐微波带通滤波器的显式设计公式，并对变容器调谐组合带通滤波器进行了计算机分析，其中包括小信号变容器等效电路，使滤波器性能易于评估[19]。Matthei g.i.通过引入发夹梳状滤波器展示了设计紧凑型窄带滤波器的重要优势，该滤波器具有特殊的性能，有利于设计紧凑型、窄带和带通微带滤波器[20]。

系统方法论
系统的完整原理图如图1所示。在直径为1.0 cm的玻璃板上引用碳烟灰作为样品，置于PA电池的样品腔中，如图2所示。PA单元根据亥姆霍兹共振原理设计[21-22]。采用波长为808nm、光功率为50mW的可切换二极管激光器作为辐射源。通过将二极管激光器连接到晶体管的收集器(CL 100)，并将调制信号(TTL方波)连接到晶体管的基极，对激光束进行调制。当调制激光光束落在炭黑表面时，产生与调制信号频率相同的声信号。该声信号由驻极体麦克风(KECG3644PFG, KSA电子制造)转换成电信号，该麦克风可以在3到10V的电源电压范围内工作，输出阻抗约为2.2kΩ，灵敏度约为44±3dB[22]。麦克风的典型噪声电平为~4nV/√Hz。扩音信号被放大时，麦克风噪声也会随着扩音信号的放大而放大。因此，信噪比(SNR)和放大器增益之间的折衷是最佳PA信号检测的必要条件。
图像
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前置放大器:
麦克风信号的振幅通常很小，在微伏数量级。因此，采用高输入阻抗、高增益、低噪声的前置放大器将其放大。因为，LM308具有这些品质;前置放大器以运放LM308为核心。前置放大器采用两级设计，以提高放大器的增益带宽积。运算放大器A1和A2组成两级放大器，如图1所示。第一阶段的增益为10，第二阶段为100，总增益为1000。前置放大器的增益可以通过改变运放A2反馈中连接的电位器来改变。从前置放大器获得的信号通常与不需要的频率成分相关联，但为了得到在特定频率上的输出，这些不需要的频率必须消除。可调窄带通滤波器消除了不需要的频率带，提高了电路[23]的信噪比。
窄带通滤波器:
如图1所示，运算放大器A3、A4、A5和A6组成窄带通滤波器。窄带通滤波器，尽管有大量的组件，是一个很好的选择非常尖锐(高q)带通滤波器。该滤波器元件灵敏度低，对运算放大器带宽要求不高，易于调优[24]。窄带通滤波器的重要优点是它的带宽(即Q)可以在不影响中带增益的情况下进行调整。事实上，Q和增益都是由单个电阻(RQ和RG)设置的。Q，增益和中心频率是完全独立的，由下面的简单方程给出。
图像
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本电路设计为Q=50, G=10。在该电路中，采用了串联电位器作为反馈电阻(RF)。通过改变组合电位器，可以将中心频率调整到所需的值。通过这种安排，可以覆盖10Hz到600Hz的频率范围，这远远超出了本研究所需的范围。信号的振幅是通过显示在CRO上来测量的。

实验结果
通过在达林顿对晶体管基极施加方波，改变激光源的斩波频率，实验得到了PA单元的谐振频率。激光束的调制频率在10到600Hz之间变化，PA信号通过前置放大器后的振幅被测量为频率的函数。图3显示了PA细胞的反应。在PA信号的频率和振幅之间绘制了一个图表。该图显示PA信号振幅在345 Hz时最大。在345Hz左右PA信号振幅的急剧增加表明PA单元的特征体积共振。
图像
碳和5O的声信号。6liquid crystal are measured by placing the glass plate quoted with carbon soot and liquid crystal sample 5O.6 in PA cell separately. The corresponding outputs of the two samples at the pre-amplifier and filter are displayed on the CRO for further analysis. The pre-amplifier and narrow band-pass filter are tested in both the presence and absence of the modulated laser beam.
PA单元对炭黑样品在前置放大器输出端的响应如图4所示(a)， (b)为没有调制激光束时前置放大器的输出。
图像
有调制激光束和无调制激光束时炭黑样品窄带通滤波器输出处PA电池响应照片分别如图5(a)和(b)所示。实验结果表明，前置放大器和带通滤波器输出信号强度高，信号稳定。由于碳样品吸收更多的光，产生较大的声信号，当没有激光束时，前置放大器的输出有很小的噪声，而带通滤波器的输出无噪声。
图像
液晶样品5O时PA单元的频率响应。6at pre-amplifier output along with unwanted frequency components is shown in Fig. 6(a) and pre-amplifier output when the modulated laser beam is absent is shown in Fig. 6(b).
图像
液晶样品5O时PA单元的频率响应。6at narrow band-pass filter output is shown in Fig. 7(a) and filter output when the modulated laser beam is absent is shown in Fig. 7(b). The photographs clearly show that the unwanted frequencies are eliminated by the narrow band-pass filter.
图像

结论
设计并制作了高增益低噪声两级前置放大器和窄带通滤波器电路。前置放大器的增益为1000，用于放大光声光谱仪的PA信号。设计了Q=50和G=10的窄带通滤波器，以消除PA信号中的噪声成分。这些电路提高了PA信号的稳定性、灵敏度、信号强度和信噪比，这些都是光声光谱仪应用的基本品质。

确认
作者感谢v.g.k.m教授。Pisipati, Nagarjun大学液晶研究和教育中心主任，Guntur提供液晶样品。

参考文献

























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