光電檢測技術中的微弱光訊號前置放大電路設計

0引言

　　光電檢測技術是光學與電子學相結合而產生的一門新興檢測技術［1］。它主要利用電子技術對光學訊號進行檢測，並進一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示［2］。光電檢測技術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。它可通過光學系統把待檢測的非電量資訊變換成為便於接受的光學資訊，然後用光電探測器件將光學資訊量變換成電量，並進一步經過電路放大、處理，以達到電訊號輸出的目的［3］。然後採用電子學、資訊理論、計算機及物理學等方法分析噪聲產生的原因和規律，以便於進行相應的電路改進，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用訊號的特點與相關性，從而瞭解非電量的狀態。微弱訊號檢測的目的是從強噪聲中提取有用訊號，同時提高檢測系統輸出訊號的信噪比。

　　1 光電檢測電路的基本構成

　　光電探測器所接收到的訊號一般都非常微弱，而且光探測器輸出的訊號往往被深埋在噪聲之中，因此，要對這樣的微弱訊號進行處理，一般都要先進行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，並將微弱訊號放大到後續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、並已濾除掉大部分噪聲的待檢測訊號。其光電檢測模組的組成框圖如圖1所示。

　　2 光電二極體的工作模式與等效模型

　　2．1 光電二極體的工作模式

　　光電二極體一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極體的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時，光電二極體可非常精確的線性工作；而在光導模式時，光電二極體可實現較高的切換速度，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，這時二極體的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時，由於導電產生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設計光電二極體電路的過程中，通常是針對光伏或光導兩種模式之一進行最優化設計，而不是對兩種模式都進行最優化設計［4］。

　　一般來說，在光電精密測量中，被測訊號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設計由於所討論的待檢測訊號也是十分微弱的訊號，所以，儘量避免噪聲干擾是首要任務，所以，設計時採用光伏模式。

　　2．2 光電二極體的等效電路模型

　　工作於光伏方式下的光電二極體的工作模型如圖3所示，它包含一個被輻射光激發的電流源、一個理想的二極體、結電容和寄生串聯及並聯電阻。圖中，IL為二極體的漏電流；ISC為二極體的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極體的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯電阻。

　　由於工作於該光伏方式下的光電二極體上沒有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路效能的關鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路的頻率穩定性和噪聲效能。CPD是由光電二極體的P型和N型材料間的耗盡層寬度產生的。耗盡層越窄，結電容的值越大。相反，較寬的耗盡層***如PIN光電二極體***會表現出較寬的頻譜響應。矽二極體結電容的數值範圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極體的寄生電阻RPD***也稱作"分流"電阻或" 暗"電阻***，則與光電二極體的偏置有關。

　　與光伏電壓方式相反，光導方式中的光電二極體則有一個反向偏置電壓加至光感測元件的兩端。當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於高速工作，然而，線性度和失調誤差尚未最優化。這個問題的折衷設計將增加二極體的漏電流IL和線性誤差。

　　3 電路設計

　　3．1 主放大器設計

　　眾多需要檢瀏的微弱光訊號通常都是通過各種感測器來進行非電量的轉換，從而使檢測物件轉變為電量***電流或電壓***。由於所測物件本身為微弱量，同時受各種不同感測器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小訊號，一般不能直接用於取樣處理。本設計中的光電二極體前置放大電路主要起到電流轉電壓的作用，但後續電路一般為A／D轉換電路，所需電壓幅值一般為2 V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓訊號一般還需要繼續放大幾百倍，因此還需應用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。

　　該主放大器的放大倍數為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。為了後續電路的正常工作，設計時需要設定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有

3．2濾波器設計

　　為使電路設計簡潔並具有良好的信噪比,設計時還需要用帶通濾波器對訊號進行處理。為保證測量的精確性，本設計在前置放大電路之後加人二階帶通濾波電路，以除去有用訊號頻帶以外的噪聲，包括環境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這裡採用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內的訊號，而抑制該頻段以外的訊號。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，其頻頻寬度為：

 

　　B=f2-f1=f0/Q

　　式中，Q為品質因數，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體三極體、整合運算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對於無源濾波器的特點是體積小、重量輕、價格低、結構牢固、可以整合。由於運算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開環增益和良好的穩定性，且構成簡單而且效能優良。本設計選用了去處放大器來進行設計。

　　本設計選用了去處放大器來進行設計。

　　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，其濾波電路採用有源濾波器完成，並由二階壓控電壓源***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。

　　對於第一部分，即低通濾波器，系統要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函式為：

　　第二部分為高通濾波器，系統要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函式如下：

　　4 完整的檢測電路設計

　　本光電檢測系統設計的完整電路如圖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。前級部分由光電轉換二極體與前級放大器組成，這也是光電檢測電路的核心部分，其器件選用高效能低噪聲運算放大器來實現電路匹配並將光電流轉換成電壓訊號，以實現數倍的放大。然而，雖然前級放大倍數可以設計得很大，但由於反饋電阻會引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前級訊號不能無限放大。

　　5 結束語

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