采用微弱光信號前置放大電路的光電檢測系統(tǒng)

光電檢測技術(shù)從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電探測器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進一步經(jīng)過電路放大、處理，以達到電信號輸出的目的。然后采用電子學(xué)、信息論、計算機及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以便于進行相應(yīng)的電路改進，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號的特點與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號檢測的目的是從強噪聲中提取有用信號，同時提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比。  

1 光電檢測電路的基本構(gòu)成  

光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱，而且光探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中，因此，要對這樣的微弱信號進行處理，一般都要先進行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。其光電檢測模塊的組成框圖如圖1所示。  


  
2 光電二極管的工作模式與等效模型  

2．1 光電二極管的工作模式  

光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導(dǎo)模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。事實上，在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流(叫做暗電流或無照電流1。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設(shè)計光電二極管電路的過程中，通常是針對光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進行最優(yōu)化設(shè)計，而不是對兩種模式都進行最優(yōu)化設(shè)計。  


  
一般來說，在光電精密測量中，被測信號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設(shè)計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以，設(shè)計時采用光伏模式。  

2．2 光電二極管的等效電路模型  

工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個被輻射光激發(fā)的電流源、一個理想的二極管、結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯(lián)電阻。  


  
由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層越窄，結(jié)電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD(也稱作"分流"電阻或"暗"電阻)，則與光電二極管的偏置有關(guān)。  

與光伏電壓方式相反，光導(dǎo)方式中的光電二極管則有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測器件時，耗盡層的寬度會增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線性度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個問題的折衷設(shè)計將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。  

3 電路設(shè)計  

3．1 主放大器設(shè)計  

眾多需要檢瀏的微弱光信號通常都是通過各種傳感器來進行非電量的轉(zhuǎn)換，從而使檢測對象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測對象本身為微弱量，同時受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，但后續(xù)電路一般為A／D轉(zhuǎn)換電路，所需電壓幅值一般為2 V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應(yīng)用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。  

  
該主放大器的放大倍數(shù)為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作，設(shè)計時需要設(shè)定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有  


  

3．2濾波器設(shè)計   

為使電路設(shè)計簡潔并具有良好的信噪比,設(shè)計時還需要用帶通濾波器對信號進行處理。為保證測量的精確性，本設(shè)計在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內(nèi)的信號，而抑制該頻段以外的信號。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：   
B=f2-f1=f0/Q  
式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因為中心頻率一定時，Q值越大，所通過的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。  


  
有源濾波器是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對于無源濾波器的特點是體積小、重量輕、價格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡單而且性能優(yōu)良。本設(shè)計選用了去處放大器來進行設(shè)計。   

本設(shè)計選用了去處放大器來進行設(shè)計。  

圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(VCVS)帶通濾波器，其濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。  
  
對于第一部分，即低通濾波器，系統(tǒng)要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)為：  


  
第二部分為高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)如下：  


  
4 完整的檢測電路設(shè)計   

本光電檢測系統(tǒng)設(shè)計的完整電路如圖7所示。為方便表示，電路中的R2、R3即為前面等效電路模型中的RT、RF。前級部分由光電轉(zhuǎn)換二極管與前級放大器組成，這也是光電檢測電路的核心部分，其器件選用高性能低噪聲運算放大器來實現(xiàn)電路匹配并將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，以實現(xiàn)數(shù)倍的放大。然而，雖然前級放大倍數(shù)可以設(shè)計得很大，但由于反饋電阻會引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前級信號不能無限放大。  

  
5 結(jié)束語   

本文研究了光電檢測系統(tǒng)的原理和設(shè)計方法。通過從經(jīng)濟和實用的角度對相關(guān)的光電轉(zhuǎn)換器件和前置放大器進行了選擇和電路設(shè)計，從而確定了關(guān)鍵元器件的參數(shù)。實際使用證明：該設(shè)計可以滿足一般光電檢測場合的需要。