一种具有高动态范围的前置放大电路设计及实现

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10kHz时，输入信号幅值最高达600mV且输出无失真的前置放大电路。

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)