對數(shù)放大器在弱光檢測中的應(yīng)用

摘要：為提取弱光檢測電路中淹沒在噪聲中的信號，通常使用高精度放大器尤其是對數(shù)放大器來提高電路濾除噪聲的能力，其中以對數(shù)放大器LOGl00為前置放大電路的光電檢測電路效果最佳。基于這種電路，提出一種低噪聲弱光電檢測電路設(shè)計方案，以電子元器件相關(guān)參數(shù)的選擇和依據(jù)，檢測LOGl00的輸出效果。測量結(jié)果表明，輸入光信號功率高于l nW，LOGl00噪聲濾除性能良好，而低于l nW時則輸出噪聲明顯增強，可能導(dǎo)致A／D轉(zhuǎn)換輸出錯誤，不利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
關(guān)鍵詞：弱光；檢測；光電轉(zhuǎn)換；對數(shù)放大器；噪聲；LOGl00

    弱光檢測通常是先將光信號通過光電器件轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)前置放大電路放大后，由A／D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行分析處理。弱光檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域。弱光檢測電路一個重要性能指標(biāo)是對噪聲的濾除能力，但在弱光檢測時，光信號與噪聲幾乎處于同一數(shù)量級，信號很容易淹沒在噪聲中，不利于后續(xù)電路處理。傳統(tǒng)方法是采用電路級聯(lián)來濾除干擾，放大信號；但這種電路需用精密電阻，且設(shè)計復(fù)雜，電路體積大，可靠性差。隨著集成對數(shù)放大電路的發(fā)展，其寬動態(tài)范圍、高精確輸出的顯著特點，光檢測電路也得到不斷發(fā)展與完善，對數(shù)電路具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)壓縮性能，可將很寬的輸入動態(tài)范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍內(nèi)。因此，這里提出一種以LOGl00作為前置放大的弱光檢測電路設(shè)計方案。

1 電路設(shè)計與分析
1．1 光電轉(zhuǎn)換電路
    圖1為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率。在檢測弱光信號時，RF為提高增益，RF的取值應(yīng)選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調(diào)電壓VB對輸出電壓的影響分別為IBRF和，Rs為光電二極管內(nèi)阻。可以看出，減小RF可以減少以上影響，但同時會減小電路的增益。解決這個問題需選擇偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運算放大器。這里選用0PAlll型高精度運算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調(diào)電壓約100μV。經(jīng)過計算，RF的值取在幾百MΩ范圍內(nèi)時，上述影響可以近似忽略，能夠滿足電路的要求。

1．2 前置放大電路
    由于光電轉(zhuǎn)換電路的輸出信號通常在mV數(shù)量級，且信號常常淹沒在噪聲中，因此前置放大部分需有較強的濾噪和放大能力。選用精密對數(shù)放大電路LOGl00與外圍元件構(gòu)成前置放大電路。圖l虛線框內(nèi)所示電路為LOGl00的簡化內(nèi)部電路，其動態(tài)輸人范圍1 nA～1 mA，滿跨度輸出誤差(FSO)低于0．37％，與精確對數(shù)關(guān)系最大偏離小于O．1％。同時，內(nèi)部還集成有激光校準(zhǔn)電阻，使得該對數(shù)放大器在環(huán)境溫度變化時仍能保持精確輸出。LOGl00有4個選擇端，通過不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見文獻(xiàn)。
    由文獻(xiàn)可知LOGl00的輸入輸出關(guān)系為：
   

2 結(jié)果分析
    在弱光測試實驗中，光電二極管使用S1227-66B型PIN硅光電二極管，該器件靈敏度高，暗電流小。為了減小干擾，實驗時電路封裝在金屬盒內(nèi)，采用±lO V直流穩(wěn)壓電源供電，電源線與信號線均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發(fā)光二極管輸m的周期性光脈沖信號，周期T=105 ms。使用數(shù)字示波器觀察并記錄光電轉(zhuǎn)換電路的輸出和前置放大電路的輸出信號。
    根據(jù)LOGl00的輸入輸出關(guān)系，實驗中以I2為基準(zhǔn)電流，根據(jù)運放反向輸入結(jié)構(gòu)有，即在電路中可通過給定基準(zhǔn)電壓μ2實現(xiàn)。光電檢測部分電路的輸出電壓一般只有mV量級，同時根據(jù)LOGl00器件要求，其輸入電流要在l nA～l mA，I1，I2的比值要在l05以內(nèi)。故圖1中的輸入電阻R11，R21選擇在幾十kΩ，以保證對數(shù)電路輸出精確度，根據(jù)這些要求，μ2值設(shè)定為幾mV。

    因光電轉(zhuǎn)換電路的增益很高，雖然采用精密放大電路，并使用RF和CF限制信號頻帶，但幾乎對所有的輸入光信號，其輸出噪聲都非常高。圖2(a)為P=0．7nW時光電轉(zhuǎn)換電路的輸出波形，可以看出，噪聲與信號在同一個數(shù)量級，噪聲與信號峰值比接近l，如果以這樣的輸出直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，將使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大打折扣，雖然可以通過單片機(jī)程序中的濾噪子程序來降低數(shù)據(jù)的出錯概率，但軟件模擬功能具有一定的局限性，可能無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸出。圖2(b)是通過前置放大電路處理后的輸出信號，其波形較光滑，噪信峰值比降低至O．02以下，幾乎不用軟件濾噪可以將A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行后續(xù)處理。由此可見，LOGl00作為前置放大電路在放大有用信號的同時，也有效抑制了噪聲，其具體測量數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果差距較小，完全可滿足設(shè)計要求。圖3所示為輸入光功率在1．4 nW時理論值(虛線)與測量值(實線)相差不到0．1 V。

    圖4為不同入射光功率P下前置放大電路的輸出VOUT波形，從圖4可以看出，輸入光信號的強度幾百pW的微弱改變時，LOGl00的輸出信號幅度有幾百mV的明顯變化，這使得在A／D轉(zhuǎn)換時可最大限度地采集不同光源強度的數(shù)據(jù)。然而LOGl00也有其不足之處。由圖4可見，隨著輸入光強度的減弱，輸出信號中噪聲逐漸增強，當(dāng)噪聲與信號相比增大到一定程度后，可能會使A／D轉(zhuǎn)換電路輸出錯誤，這時必須采用軟件進(jìn)行濾噪處理。因此LOGl00一般用在檢測弱光信號電路中，在微弱光信號檢測中，LOGl00的輸出信噪比較小，還需精密濾波電路輔助，這不但增加了電路的復(fù)雜性，也使其輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度大大降低，從而不能進(jìn)行實際應(yīng)用。
    要解決這個問題，可考慮使用精度更高的LOGl01和LOGl04作為前置放大電路，與LOGl00相比，它們具有更寬的動態(tài)輸入范圍100 pA～3．5 mA，精確度可達(dá)0．01％FSO。LOGl01和LOGl04采用恒定增益，在電路中使用靈活性方面不如LOGl00。在內(nèi)部沒有集成激光校準(zhǔn)電阻，但直流偏移電壓低，且能在很寬的溫度范圍(-5～75℃)內(nèi)精確輸出，因此更適合使用于微弱光信號檢測電路中。

3 結(jié)論
    討論了LOGl00在弱光檢測應(yīng)用中的噪聲濾除性能，實測結(jié)果表明LOGl00有較強的噪聲抑制能力，在弱光檢測中可作為前置放大電路。但當(dāng)輸入信號逐漸減弱時，噪聲抑制能力也較弱，不適宜使用在微弱光信號檢測中。