微弱信号检测5

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=66.7。R52使放大倍数可以调节，调节范围为0~66.7。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100mV~200mV，所以此电路的电压放大倍数较小，最大为R20/R39=62k/16k≈4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(±2.5V~±28V)，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4Ω~16Ω的扬声器，某些场合又可带动2Ω甚至1.6Ω低阻负载。本电路采用1W/4Ω的扬声器。(3)噪声低，保真度高。输入端噪声电压最大不超过1μV~5μV，信噪比可达100dB，交叉失真极低，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26dB~40dB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5MΩ。(6)工作频带宽，闭环带宽：40Hz~14000Hz。

(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：①输出端对地短路；②温升高于150℃；③浪涌电压冲击；④负载开路；⑤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，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：①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。②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0~4.5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。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ωc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(jω)=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ai和bj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，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ω0=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，fp~fs为过渡带宽。在直流下，传输增益为1，即0dB；当f=fp时，增益为Ap；当f=fs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）①在输入端加正弦信号ui（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。②

测量幅频特性。3.2有源滤波器的调试①静态调试：调零，消除自激。②动态调试：在输入端加正弦信号ui（频率幅值任意），测量滤波器输出端电压，计算放大倍数Au。③测量幅频特性。作出幅频特性曲线，求出带通滤波器的带宽Bw和上、下限截止频率。3.3功率放大电路的调试①

静态调试：输入对地短路，观察输出有无振荡。如有，采取措施消振。②动态调试：测量最大不失真输出功率Pom。3.4系统联调①

令输入对地短路，测量功放的直流输出电压。②输入f=1kHz的正弦信号，改变ui幅值，观察输出电压uo波