基于印刷电路板寄生参数反馈的跨阻放大器及红外传感器的制作方法

1.本发明涉及跨阻放大器领域，更具体的说是涉及基于印刷电路板寄生参数反馈的跨阻放大器及红外传感器。


背景技术：

2.红外传感器是把物体发出的红外辐射能转化成电能等其他便于观测、利用和处理的能量形式的传感器件，红外传感器在军用和民用领域有着广泛的应用，高性能的红外传感器具有很高的应用价值。在普通的红外光电传感器中，一般采用跨阻放大器放大其输出信号，跨阻放大器的反馈电阻一般在kω到mω级别，属于常规阻值器件，其器件工艺和应用已属于成熟常规工艺，电路容易实现和稳定工作，然而在某些特殊需求的红外光电传感器中，需要对pa数量级的微弱电流进行放大。由于跨阻放大器自身具有较好的噪声特性，为了达到较高的信噪比，根据弗里斯公式，不宜采用多级放大等常用的电压放大手段。这时需要对电流一次性采用gω甚至100gω级别的大反馈电阻阻值将其转化成较大的电压，以得到最高信噪比的输出电压信号。然而该阻值数量级的电阻价格昂贵，成本较高，且精密性和稳定性都不如普通阻值范围的工艺成熟的电阻。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供基于印刷电路板寄生参数反馈的跨阻放大器及红外传感器，用于解决上述问题。
4.本发明通过以下技术方案实现：基于印刷电路板寄生参数反馈的跨阻放大器，包括运算放大器和连接运算放大器的负反馈电路，所述负反馈电路通过印刷电路板寄生参数模块组成。
5.进一步的，所述印刷电路板寄生参数模块为叉指电极，印刷电路板寄生参数通过叉指电极对的对数，叉指宽度和相邻叉指之间的间隙距离，进行控制。
6.进一步的，所述叉指电极设置于四层电路板的中间两层。
7.进一步的，所述叉指电极与运算放大器通过设置于四层电路板上的通孔连接。
8.进一步的，所述负反馈电路的pcb的厚度在1mm
‑
2mm之间。
9.进一步的，所述印刷电路板寄生参数模块通过寄生参数，构成电路所需要的反馈电阻rf，并产生一个等效反馈电容cf，所述反馈电阻rf和反馈电容cf并联接在运算放大器输出端和反相输入端之间，形成负反馈回路。
10.进一步的，所述反馈电阻rf为gω数量级，其中，反馈电路的输出电压的电压值与输入电流*反馈电阻的阻值的电压值相同。
11.一种红外传感器，包括红外传感器器件和跨阻放大器，所述跨阻放大器为上述任一项所述的基于印刷电路板寄生参数反馈的跨阻放大器。
12.进一步的，所述红外传感器器件分别连接运算放大器的反相输入端和同相输入端，运算放大器的同相输入端为参考电压点。
13.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：（1） 本发明的跨阻放大器利用印刷电路板的寄生电阻来代替本身所需的大电阻，解决了使用gω数量级的电阻生产难度大、价格高的问题，降低了生产成本；（2） 本发明的红外传感器的信号放大电路采用上述跨阻放大器，不仅可以实现红外光电传感器的稳定和最高信噪比，且可实现较低的成本；（3） 本发明中印刷电路板的寄生参数采用叉指电极实现，有利于增加印刷电路板的导电性和等效电容，让印刷电路板的寄生参数更加可控。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例提出的电路原理图；图2为本发明实施例提出的pcb叉指电极原理图；图3为本发明实施例提出的红外传感器的系统结构图。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
17.实施例1如图1，本实施例提出基于印刷电路板寄生参数反馈的跨阻放大器，包括运算放大器和连接运算放大器的负反馈电路，所述负反馈电路通过印刷电路板寄生参数模块组成。
18.进一步的，所述印刷电路板寄生参数模块为叉指电极，印刷电路板寄生参数通过叉指电极对的对数，叉指宽度和相邻叉指之间的间隙距离，进行控制。
19.进一步的，所述叉指电极设置于四层电路板的中间两层。
20.进一步的，所述叉指电极与运算放大器通过设置于四层电路板上的通孔连接。
21.进一步的，所述负反馈电路的pcb的厚度在1mm
‑
2mm之间。
22.进一步的，所述印刷电路板寄生参数模块通过寄生参数，构成电路所需要的反馈电阻rf，并产生一个等效反馈电容cf，所述反馈电阻rf和反馈电容cf并联接在运算放大器输出端和反相输入端之间，形成负反馈回路。
23.进一步的，所述反馈电阻rf为gω数量级，其中，反馈电路的输出电压的电压值与输入电流*反馈电阻的阻值的电压值相同。
24.本实施例的具体实施原理为：由于需要一个大电阻和一个反馈电容作为反馈，因此选用了叉指电极等效替代。从电路原理上讲，所述叉指电极的位置就是负反馈的位置，即它在运算放大器的反相输入端与输出端之间，从实物的pcb上讲，由于pcb板材的寄生参数受外界环境影响较大，所述叉指电极画在在中间层，运算放大器在外层，运算放大器和叉指电极通过通孔连接。采用本实施例的跨阻放大器，将印刷电路板自身的寄生电阻作为高增
益跨阻放大器的反馈大电阻。
25.通过上述跨阻放大器，虽然跨阻放大器反馈电阻阻值难以精确计算，但电路的信噪比超过了以往的电阻器反馈电路，并大大降低了电路制造原材料成本。在普通的跨阻放大器中，反馈电阻成本仅几分；在超高增益应用场景的跨阻放大器中，反馈电阻的价格高达几十元；而采用本方案的跨阻放大器，其成本只有运算放大器和印刷电路板的成本。
26.需要注意的是，不同的印刷电路板材料不同，实际的反馈效果也不尽相同，设计时其等效电阻的阻值只能大概估算，实际的阻值需要进行实际测量，并根据实际情况进行调整选择。且印刷电路板的寄生电阻的阻值线性度远远差于真正的电阻器。但在某些印刷电路板材料或者电极设计中，在我们需要的电压范围内，印刷电路板的寄生电阻是接近于线性的，且很多情况下红外传感器只是作为对目标有无的判别探测信号，对信号在频域的线性度失真并不敏感。因此该性能差别也并不影响应用。
27.实施例2在实施例1的基础上，本实施例进一步提出一种红外传感器，包括红外传感器器件和跨阻放大器，所述跨阻放大器包括运算放大器和连接运算放大器的负反馈电路，所述负反馈电路通过印刷电路板寄生参数模块组成。
28.进一步的，所述印刷电路板寄生参数模块为叉指电极，印刷电路板寄生参数通过叉指电极对的对数，叉指宽度和相邻叉指之间的间隙距离，进行控制。
29.进一步的，红外传感器器件的两端接在运算放大器的反相输入的和同向输入端。
30.具体的，红外器件和运算放大器同相输入端连接的同时接电压参考点。
31.所述同相输入端为参考电压点的含义为该点是交流地（实际上有可能还要接直流偏置，不一定是直流地）。
32.实施例3在实施例2的基础上，本实施例进一步的提出一种红外传感器，如图1所示，包括红外传感器器件和用于放大器件输出电流的信号放大电路，该光电传感器的输出电流在1pa左右，信号放大电路即为实施例1的跨阻放大器结构，具体的，器件的电流输出端接运算放大器的负输入端，电流输出端的另一端接运算放大器的正输入端，并将运算放大器正输入端作为参考电压点。印刷电路板的寄生参数构成了电路所需要的反馈电阻rf，并产生一个等效反馈电容，反馈电阻rf和反馈电容cf并联接在运算放大器输出端和负输入端之间，形成反馈回路。反馈电阻的作用是将pa级的小电流转化成mv级的大电压，电路输出电压就等于输入电流乘以反馈电阻的阻值。
33.为了更好的实现上述印刷电路板的寄生参数，设计并采用了如图2所示的形状的叉指电极实现，因为寄生参数容易受到外部环境干扰，所以叉指电极一般制作在四层电路板的中间两层，其大约的等效电阻值可以通过材料的电阻率乘以电极之间的宽度，除以叉指电极的长度，再除以选用pcb的厚度（本实施例采用的pcb厚度为1.6mm，材料为np140）。采用本实施例的结构对pa级别的微弱电流进行放大时，同时满足了电路对超高增益的反馈电阻值的需要和电路稳定性对补偿电容的需要，大大简化了传感器器件的制造工艺和电路体积。
34.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。