對數(shù)放大器在弱光檢測中的應(yīng)用

梅欣麗 ，李常青

（1．鄭州大學(xué) 信 息工程學(xué)院，河南 鄭 州 4 50001；2．新鄉(xiāng)學(xué)院 物 理系，河南 新 鄉(xiāng)453000）

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(gè)重要性能指標(biāo)是對噪聲的濾除能力，但在弱光檢測時(shí)，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(jì)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(dòng)態(tài)范圍、高精確輸出的顯著特點(diǎn)，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(dòng)態(tài)范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍內(nèi)[1－2]。因此，這里提出一種以LOG100[3]作為前置放大的弱光檢測電路設(shè)計(jì)方案。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 光電轉(zhuǎn)換電路[3]

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(shí)，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和為光電二極管內(nèi)阻?？梢钥闯?，減小RF可以減少以上影響，但同時(shí)會(huì)減小電路的增益。解決這個(gè)問題需選擇偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運(yùn)算放大器。這里選用OPA111型高精度運(yùn)算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調(diào)電壓約100 μV。經(jīng)過計(jì)算，RF的值取在幾百M(fèi)Ω范圍內(nèi)時(shí)，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[4－9]

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(qiáng)的濾噪和放大能力。選用精密對數(shù)放大電路LOG100與外圍元件構(gòu)成前置放大電路。圖1虛線框內(nèi)所示電路為LOG100的簡化內(nèi)部電路，其動(dòng)態(tài)輸入范圍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0．1%。同時(shí)，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(shí)仍能保持精確輸出。LOG100有4個(gè)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)[1－2，5－8]。

圖1 光電檢測電路

由文獻(xiàn)[1－2]可知LOG100的輸入輸出關(guān)系為：

2 結(jié)果分析

在弱光測試實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)電路封裝在金屬盒內(nèi)，采用±10 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)光二極管輸出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)LOG100的輸入輸出關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中以I2為基準(zhǔn)電流，根據(jù)運(yùn)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(shí)現(xiàn)。光電檢測部分電路的輸出電壓一般只有mV量級，同時(shí)根據(jù)LOG100器件要求，其輸入電流要在1 nA～1 mA，I1，I2的比值要在105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=0．7 nW時(shí)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(gè)數(shù)量級，噪聲與信號峰值比接近1，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(cuò)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0．02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，LOG100作為前置放大電路在放大有用信號的同時(shí)，也有效抑制了噪聲，其具體測量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果差距較小，完全可滿足設(shè)計(jì)要求。圖3所示為輸入光功率在1．4 nW時(shí)理論值（虛線）與測量值（實(shí)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(qiáng)度幾百pW的微弱改變時(shí)，LOG100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(shí)可最大限度地采集不同光源強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。然而LOG100也有其不足之處。由圖4可見，隨著輸入光強(qiáng)度的減弱，輸出信號中噪聲逐漸增強(qiáng)，當(dāng)噪聲與信號相比增大到一定程度后，可能會(huì)使A/D轉(zhuǎn)換電路輸出錯(cuò)誤，這時(shí)必須采用軟件進(jìn)行濾噪處理。因此LOG100一般用在檢測弱光信號電路中，在微弱光信號檢測中，LOG100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(shí)際應(yīng)用。

要解決這個(gè)問題，可考慮使用精度更高的LOG101和LOG104作為前置放大電路，與LOG100相比，它們具有更寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍100 pA～3．5 mA，精確度可達(dá)0．01%FSO。LOG101和LOG104采用恒定增益，在電路中使用靈活性方面不如LOG100。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LOG100在弱光檢測應(yīng)用中的噪聲濾除性能，實(shí)測結(jié)果表明LOG100有較強(qiáng)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(shí)，噪聲抑制能力也較弱，不適宜使用在微弱光信號檢測中。

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[5]TI/BURR-BROWN公司.LOG100資料[EB/OL].（2000-09-27）[2009-12-01].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/log100.pdf.

[6]TI/BURR-BROWN公司.LOG101Datasheet[EB/OL].（2004-06-10）[2009-12-01].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/log101.pdf.

[7]TI/BURR-BROWN公司.LOG104Datasheet[EB/OL].（2005-04-04）[2009-12-01].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/log104.pdf.

[8]TI/BURR-BROWN公司.OPA111 Datasheet[EB/OL].（2000-09-27）[2009-12-01].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa111.pdf.

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