设计目标

设计说明

此两级放大器设计可对来自被动红外 (PIR) 传感器的信号进行放大和滤波。此电路包括多个低通和高通滤波器，可降低电路输出端的噪声，从而能够检测出远距离运动并减少误触发。此电路后跟一个窗口比较器电路，以生成数字输出或直接连接到模数转换器 (ADC) 输入端。

设计说明

1. 对于共模电压和输出偏置电压，使用 R₂ 和 R₃（以及 R₇ 和 R₈）之间的电阻分压器进行设置。
2. 必须使用两个或更多个放大器级以能够有足够的环路增益。
3. 可以添加其他低通和高通滤波器以进一步降低噪声。
4. 电容器 C₄ 和 C₈ 通过减小电路带宽来过滤噪声，并帮助稳定放大器。
5. 需要使用放大器输出端的 RC 滤波器（例如，R₆ 和 C₅）来降低放大器的总集成噪声。
6. 电路的最大增益会受滤波器截止频率的影响。可能需要调整截止频率以实现所需增益。

设计步骤

1. 为低通滤波器选择高电容值电容器 C₁、C₅ 和 C₉。应首先选择这些电容器，因为与标准电阻器的值相比，高电容值电容器的可供选择的标准值有限。
   ${\mathrm{C}}_1={\mathrm{C}}_5={\mathrm{C}}_9=10\mathrm{\mu F}$
2. 计算 R₁、R₆ 和 R₁₁ 的电阻器值以构成低通滤波器。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_6={\mathrm{R}}_{11}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{C}}_1}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\mathrm{Hz}\times 10\mathrm{\mu F}}=1.592\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{选择} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_6={\mathrm{R}}_{11}=1.5\mathrm{k\Omega } （\mathrm{标准} \mathrm{电阻阻值}) \end{gathered}$$
3. 为高通滤波器选择 C₂、C₃、C₆ 和 C₇ 的电容器值。
   ${\mathrm{C}}_2={\mathrm{C}}_3={\mathrm{C}}_6={\mathrm{C}}_7=33\mathrm{\mu F}$
4. 为高通滤波器计算 R₄ 和 R₉ 的电阻器值。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_4={\mathrm{R}}_9=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{L}}\times {\mathrm{C}}_2}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 0.7\mathrm{Hz}\times 33\mathrm{\mu F}}=6.89\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{选择} {\mathrm{R}}_4={\mathrm{R}}_9=6.81\mathrm{k\Omega } （\mathrm{标准} \mathrm{电阻阻值}) \end{gathered}$$
5. 使用分压器将放大器的共模电压设置为中位电压。分压器的等效电阻应该等于 R₄，以正确设置高通滤波器的转角频率。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=2\times {\mathrm{R}}_4=2\times 6.81\mathrm{k\Omega }=13.62\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{选择} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=13.7\mathrm{k\Omega } （\mathrm{标准} \mathrm{电阻阻值}) \end{gathered}$$
6. 计算每个增益级所需的增益以满足总增益需求。在两个增益级之间平均分配电路的总增益目标。
   $\mathrm{增益}=\frac{90\mathrm{dB}}{2}=45\mathrm{dB}=177.828\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
7. 计算 R₅ 以设置第一级的增益。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_5=\left(\mathrm{增益}-1\right)\times {\mathrm{R}}_4=\left(177.828\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-1\right)\times 6.81\mathrm{k\Omega }=1.204\mathrm{M\Omega } \\ \mathrm{选取} 1.2\mathrm{M\Omega } \end{gathered}$$
8. 计算 C₄ 以设置低通滤波器截止频率。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_4=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 1.2M\Omega \times 10\mathrm{Hz}}=13.263\mathrm{nF} \\ \mathrm{选取} {\mathrm{C}}_4=15\mathrm{nF} \end{gathered}$$
9. 第一个增益级的增益和截止频率与第二个增益级相等，因此请将两个级的所有组件值设置为彼此相等。
   ${\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_6=1.5\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=13.7\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_9={\mathrm{R}}_4=6.81\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_{10}={\mathrm{R}}_5=1.2\mathrm{M\Omega }$
   ${\mathrm{C}}_8={\mathrm{C}}_4=15\mathrm{nF}$
10. 计算 R₁₁ 以设置电路输出端低通滤波器的截止频率。
    $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_{11}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_9\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\mathrm{\mu F}\times 10\mathrm{Hz}}=1.592\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{选择} {\mathrm{R}}_{11}=1.5\mathrm{k\Omega } \end{gathered}$$

设计仿真

交流仿真结果

噪声仿真结果

参考资料：

1. 《模拟工程师电路设计指导手册》
2. SPICE 仿真文件 SBOC524
3. TI 高精度实验室

设计备选运算放大器