双线远程传感器前置放大器

本设计实例实现了一种远程传感器前置放大器(如用于压电式传感器)，其可通过单个导线对或同轴电缆传输信号和电能。

AD822ARZ是一个真正的单电源供电运算放大器，其具有轨到轨输出、极低的输入电流和低频噪声，适合与高阻抗信号源同时工作。AD822具有5V的单电源供电能力，这使其成为本设计实例的佳选。

R6为压电传感器提供匹配负载。R5和D1保护IC1-1免受可能来自压电传感器的高电压尖峰的影响。IC1-1提供初级增益(在工作频率范围内约为1+R7/R8)和部分增益频率特性。R8和C6抑制次声波频率(截止频率为1/2πR8C6)，并使传感器的频率响应线性化。R7和C5的结合可抑制超出工作频率范围的频率(截止频率为1/2πR7C5)。R10-C9和R13-C11为附加的低通滤波器。设置于IC1-2周围、可抑制次声波频率的二阶滤波器是主要的高通滤波器。前置放大器的输出端为Q2的开路集电极。Q2的负载(Rg:1.5kΩ)放置在接收器处。

前置放大器的电源涉及下述因素：分压器R2、R9和C7通过R6和R11为IC1两部分提供数值为电源电压一半(R2=R9)的偏移电压。假设电源电压为5V，则AD822的静态电流Iq的最大值为1.6mA。研究表明，输出晶体管的集电极电流Ic(无信号)应为Iq的若干倍。R14用于设置Iq，计算方法如下：R14EB)/Iq=(5V/2-0.68V)/1.6mA=1.14kΩ(0.68V是此类晶体管在放大模式下的发射极基极电压VEB的典型值)。将R14的值设为560Ω，则输出晶体管的集电极电流Ic的值为(Vs/2-VEB)/R14。在BC847C的hFE不低于420的情况下，Q2的基极电流小到可以忽略。因此，Ic=(5V/2-0.68V)/560Ω=3.25mA。通过集电极负载的最大电流(无信号)为：Imax=Ic+Iq=3.25mA+1.6mA=4.85mA。

研究表明，由于高噪声会被反映至负载电阻，因此一般的稳压器IC此时不适用。仿真过程没有显示这一现象。简单的Q1电路成为最佳解决方案。Q1发射极处的输出电压Vs为：

Vs=(Vext-Rg×Imax)×R3/(R3+R4)-VEB

(Vext是外部直流电压(15V),VEB=0.68V。)

Vs=(15V-1.5kΩ×4.85mA)×68kΩ/(20kΩ+68kΩ)-0.68V=5.3V

这一数值是一个近似值。事实上，Vs值要更小一些，因为上述等式未将Q1的基极和分压器电流考虑在内。建议将R3-R4分压器电流的最小值设置为Q1基极电流的10倍以上。Q1集电极的交流分量被C4滤除。应根据前置放大器的最低工作频率选择C4的值。转折频率1/2πR3C4应至少低于前置放大器通频带低端的10倍。

R1-C3网络是可选配置;在使用R1-C3网络的情况下，若需要一个更宽的高频通带，应将C3的值设置得更低。C9也是可选配置，其影响的是高频范围。若需要使用C9，则可以将去耦电容C1的值降低至10μF。图中所示的前置放大器提供了26dB的增益(Rg=1.5kΩ)，其通频带的频率约为8Hz～36Hz。交流输出电压的最大值约为5Vp-p(在静态工作点约为7.8VDC的情况下为±2.4V)。实际器件的电流消耗为4.8mA。迄今为止，该解决方案已在28个器件上可靠、持续地运行，线长达150m。