微弱信号检测5

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1、 微弱信号检测 5 微弱信号检测 技术典型应用 语音放大电路及有源滤波优化设计语音放大电路及有源滤波优化设计 1. 语音放大电路设计 1.1 语音放大电路原理框图 1. 2 分配各级放大电路的电压放大倍数 电路主要由前置放大、有源滤波和功率放大三级组 成，总的电压放大倍数Au =Au1Au2Au3。应根据放大器 所要求的总的放大倍数Au来合理分配各级电压放大倍 数，同时考虑各级放大电路所能达到的放大倍数。 (1)由输入信号ui、最大不失真输出功率Pom和负载 阻抗(扬声器)RL，求出总的电压放大倍数(增益)Au。 (2)为了提高信噪比S/N，前置放大倍数应适当取大。 (3)为了使输出波形不致产

2、生饱和失真，输出信号的幅 值应小于电源电压。 (4)最大不失真输出功率Pom测量方法：输入f=1kHz 的 正弦信号并加大输入电压，直到功放输出电压 uo波形 出现临界削波。测量此时负载阻抗RL两端输出电压的 最大值Uom或有效值Uo，则 (5)功放的电压增益确定后，根据以上公式计算前置放 大和有源滤波电路的放大倍数，并在语音放大电路中 进行相应的调整。 1.3 前置放大级 话筒（MIC）输入信号电压比较小，约 10mV， 因而电路的电压放大倍数应适当取大。R21、R30 为输入信号提供直流偏置，信号由C5耦合到放大 器U5A进行放大，放大倍数为R31/R_back=100K/1.5k= 66

3、.7。R52使放大倍数可以调节，调节范围为 066.7。 在 U5B 处，MIC信号无需放大（可以得到更好的信噪 比），此处放大倍数取R20/R25=62k/62k=1。在电源处 加入旁路电容，以尽可能减少电源噪声的影响。 音频信号可以来自收音机、录音机、计算机等音源 声音，信号动态范围较大，一般为 100mV200mV， 所以此电路的电压放大倍数较小，最大为 R20/R39= 62k/16k4倍，R56进行放大倍数的调节。 1.4 音调调节 C52、C11为输入/输出耦合电容，电路上下两个 部分分别构成了低通、高通滤波器，R51、R55 分 别控制滤波器的通带增益。R54控制输出功率，是音

4、量控制器。 该电路 是否连接 到系统中， 可选择。 1.5 功放电路 功放电路采用了TDA2030A集成功率放大器。 (1) 输出功率大，电源适应范围宽(2.5V28V)， 电源利用率高(大于63%)。既可采用正、负电源，又可 单电源供电。 本电路采 用 + 12V 单 电源供电， 最大不失真 输出功率为 8W。 (2) 静态电流小（50mA以下），动态电流大（能 承受3.5A负载电流），带负载能力强，既可带动 416的扬声器，某些场合又可带动 2甚至 1.6低阻负载。本电路采用1W/4的扬声器。 (3) 噪声低，保真度高。输入端噪声电压最大不超过 1V 5V，信噪比可达 100dB，交叉失真

5、极低，额定 功率下均小于0.5%。 (4) 增益高，开环增益均在 80dB 以上，闭环增益可在 26dB40dB 范围内调整。图中，电压增益约为32倍。 (5) 输入阻抗高，TDA2030A 的输入阻抗典型值为 5M。 (6) 工作频带宽，闭环带宽：40Hz14000Hz。 (7) 可靠性高，上述电路内部设有过电流保护电 路及功耗限制电路。由于内部没有热关闭系统， 当负载短路或由外部其他原因造成电流剧升，使 功耗超过额定值（结温超过150）时，功放保护电 路启动，使器件工作于安全区。 (8)出现下述情况时，均不会造成集成电路损坏： 输出端对地短路； 温升高于150； 浪涌电压冲击； 负载开路；

6、 电源极性接反。 1.6 噪声发生器 (1) 噪声发生机理 在双极晶体管和半导体二极管等器件中，流动 的电流不是平滑和连续的，而是载流子流动产生 的电流脉冲之和。原因在于器件中有势垒存在，载流 子通过势垒是随机发生的独立事件。对于晶体管，当 发射结处于正偏置时，就有载流子越过发射结势垒， 由发射区注入基区。虽然单位时间内注入基区的载流 子平均数一定，但某一个载流子越过势垒进入基区的 事件是随机的，取决于载流子是否具有足够的能量， 以及指向结面方向的速度的大小。这就使得注入基区 的载流子数目在其平均数附近发生统计起伏，从而引 起注入电流的起伏。这种由于载流子各自独立而随机 地通过势垒所引起的噪声

7、，称为散粒噪声。 电流强度平均值为I的一系列独立的随机电流 脉冲所产生的散粒噪声电流均方值可以表示为： ，其功率谱密度为： 由上式可知，散粒噪声的功率谱密度在极宽的频带 范围内与频率无关，属于自噪声。值得强调的是，上 式只在中低频范围内有效，在高频区(接近1GHz)，散 粒噪声将随频率的上升而增加。实验还发现，PN结 反向击穿会使散粒噪声激增。总之，PN结的散粒噪 声具有以下特征： 在非常宽的频率范围内，从几赫兹到微波频段，散 粒噪声的功率谱密度与频率无关，即呈白噪声。 基极-发射极的PN结反向击穿时，散粒噪声强度激 增，因此可以用作高性能的固态噪声源。 (2) 噪声发生电路 Q1、Q2为普通

8、的2N5551三极管，Q1发射结反偏处 于齐纳击穿状态，产生宽频谱噪声，经Q2放大后，在 C47处得到150mV左右的白噪声。C47隔离直流成分后 ，经过U1A射随器到U1B进行放大，放大倍数通过R50 调节，范围为04.5倍。 噪声发生器 后是截止频 率为3000Hz 的高通滤波 器，可选择 是否连接到 系统中。 截止频率为3000Hz的高通滤波器如图。 1.7 输入/输出电路 (1)反向比例输入电路 反向比例电路作为输入端，对共模信号的抑制 能力强。而且由于电压负反馈的作用，输出电阻小， 带负载能力强。 输出电压和输入电压的函数关系是： (2)输出级：电压跟随器 电压跟随器能使电路的输入电

9、阻增大，输出电阻减 小，提高带负载能力。所以，它能真实地将输出信号 传给负载，而向信号索取的电流小。 输入/输出电路 2. 滤波器设计 2.1 滤波器概述 滤波器是对特定频率的信号具有选择性的网络， 允许指定频段的信号通过，并将其余频段的信号加以 抑制或使其急剧衰减。 有源运放的引入可以起到能量转换的作用，使无源 器件损失的能量得以补充，所以可以采用损耗较大的 电阻；用一些小型电阻和电容取代了元源RLC滤波器 中的电感，免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏 蔽、损耗及体积和重量过大等缺点。有源RC滤波器 能提供一定的信号增益，同时具有缓冲作用，有利于 高阶滤波器的实现。也适于小型化、集成化。

10、滤波器的设计方法有很多，要求掌握级联设计 方法。所谓级联设计方法，是通过级联一阶和二 阶滤波器结构来产生所需要的响应。 只要确定各个部分的截止频率c和品质因数Q，就 可以将高阶的设计转化成对一阶或者二阶滤波器的设 计。每一节的设计相对比较简单，元件值一般比较低 。每节的低输出阻抗消除了级间负载效应，因此，可 以将每节独立于其他部分单独调谐。 从模块化设计来说，要求级联滤波器的各个部分相 互独立。然而，由容差、热漂移和老化所带来的参数 变化非常敏感，特别是对于高Q值的模块来说，一个 元件微小的变化，都会引起整个级联电路的响应发生 明显的变化，这是有源滤波器的不足之处。 2.2 滤波器分类 根据处

11、理的信号不同，滤波器分为模拟滤波器 和数字滤波器。根据所用元器件不同，分为无源 滤波器和有源滤波器。 通常在复频域中讨论滤波器的性质。按照滤波器电 路的传递函数和频率响应特性，可将滤波器分成 5 种: 低通、高通、带通、带阻和全通滤波器。 如果一个系统的幅频响应为常数，即 H(j) = H0， 而且其相频响应为线性的，则该系统允许任何信号通 过，这类滤波器称为全通滤波器。 通常，把频率选择滤波器中能够允许通过的信号频 率范围叫做通带，把受阻或衰减很大的信号频率范围 叫做阻带。 2.3 滤波器的设计过程 理想滤波器幅频特性曲线从通带到阻带的过渡 是阶跃的，工程上不可能实现，只有通过某种传 输函数

12、去逼近滤波器的理想特性。一般的步骤为: (1)通过一个可实现的数学函数，对所要求的滤波特性 进行逼近，找出近似传递函数。 (2)将传递函数分成若干个二阶和一阶因式，然后用电 路依次实现。 (3)通过级联，得到滤波电路。 因此，滤波器设计的第一个问题是寻求某个传输函 数，使其幅频特性逼近理想滤波器特性；第二个问题 是综合问题，即寻求一个电路网络结构，用电子器件 去实现上面的传输函数。 滤波器的传输函数可以写成有理多项式的形式： 其中，s 是复频域变量，多项式系数 a i和 b j决定了滤 波器的类型，同时决定了滤波器的幅频与相频曲线的 形状。上式分母多项式中，m是滤波器的阶数。 进一步运算表明，

13、上式可以表达成如下形式 ： 其中， 是一个常数，称为标度因子。zi是滤波 器函数分子等于 0 的特征方程的根，叫做零点。pj 是 滤波器函数分母等于 0 的特征方程的根，叫做极点。 显然，滤波函数可以由一组零点、一组极点和 一个标度因子H0表示。只要知道了零点、极点和 标度因子，滤波器的类型以及幅频和相频的形状 就可以完全确定了。 高通、带通和带阻函数可以由低通函数变换得到， 不同参数的低通滤波器可以归一化为0=1和H0=1的标 准低通滤波器，所以对于近似问题，只要研究归一化 低通函数即可。 滤波器的近似方法多种多样，不同的近似采用不同 的归一化低通函数，因而综合出特性不同的滤波器。 最常用的

14、有巴特沃斯（Butterworth）滤波器、切比雪 夫（Chebychev）滤波器、椭圆滤波器以及贝塞耳（ Bessel）滤波器。 巴特沃斯滤波器：又称最大平坦度滤波器。 特点：在整个通带内，滤波器的幅频特性曲线 是平坦的，且在有平坦特性的滤波器中带宽最宽。 切比雪夫滤波器：又称通带等波纹滤波器。 这种滤波器的幅频特性曲线在通带内有等幅的纹波 波动，波动的次数与滤波器的阶数有关，不同的波动 幅度所对应的传输函数多项式的系数不同。 椭圆滤波器：又称考尔滤波器。 这种滤波器的幅频特性曲线在通带和阻带内都有波 动。 贝塞耳滤波器：又称为线性相位型滤波器。 这种滤波器的通带边界下降得较缓慢，但其相频特

15、 性接近线性，具有最佳的相位特性。 二阶低通-二阶高通串接的方法设计巴特沃斯 四阶滤波器的框图和电路如下。 各种滤波器的归一化低通函数都有表可查。下 面仅以巴特沃斯和切比雪夫滤波器为例简单说明。 这两种滤波器都是全极点滤波器，它们的归一化 低通函数只有极点而没有零点，形式如下，其中s为 复频率变量，n为滤波器的阶数。 实际滤波器的幅频特性总有过渡 区，如图，f p f s 为过渡带宽。在 直流下，传输增益为 1，即 0 dB； 当 f=f p时，增益为A p；当 f=f s时， 增益为As。 2.4 常见单元电路分析 由有源放大器组成的滤波器电路很多，分析方 法是结合放大器的理想特性，利用基尔霍夫定律 求解电路方程。 二阶有源低通滤波器的标准 传递函数为： 列写电路方程： 解方程得到传递函数为： 对比标准传递函数可得： 可见，R3和R4只影响传输增益，因此，有时将运放 的2脚和6脚短路，即令R3=0，同时去掉电阻R4，使传 输增益为1。 3.电路测量调试 3.1 前置放大电路的调试（调试时应断开输出） 在输入端加正弦信号u i（频率幅值任意），测 量前置放大电路输出电压，计算放大倍数Au。 测量幅频特性。 3.2 有源滤波器的调试 静态调试：调零，消除自激。 动态调试：在输入端加正弦