基于光電檢測(cè)的紅外光信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)

周 燁，吳 煒，黃子強(qiáng)

（電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川 成都 610054）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外器件目前已廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)和通信等領(lǐng)域。由于紅外光是在0.75～1 000 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，屬于微弱信號(hào)范疇，不僅其信號(hào)的幅度小，而且常常被淹沒在噪聲中。為了檢測(cè)被背景噪聲覆蓋的紅外光信號(hào)，通常需要提高信噪比，這就需要結(jié)合電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)和物理學(xué)等方法[1]。

光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測(cè)技術(shù)[2]。它主要利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示[3]。它可以用光電探測(cè)器件將光學(xué)信息量變換成電量,并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理，以達(dá)到電信號(hào)輸出的目的[4]。然后采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)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(jìn)行相應(yīng)的電路改進(jìn),更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)[5]。

在紅外光信號(hào)檢測(cè)的過程中，由于光在空氣中的傳輸極易受到環(huán)境光的干擾以及轉(zhuǎn)換器件本身噪聲的影響，常常會(huì)造成檢測(cè)的不準(zhǔn)確，以致紅外器件的性能受到影響。本文在光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，增加了二階壓控低通濾波器和高通濾波器組成的帶能濾波電路和放大電路，不僅可以有效地濾除環(huán)境光的干擾，并能放大轉(zhuǎn)換器的輸出電壓到伏級(jí)，達(dá)到推動(dòng)后續(xù)電路工作的要求。

1 檢測(cè)電路的基本組成框圖

紅外發(fā)射器件所發(fā)射的紅外光信號(hào)首先要通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱,而且光探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被噪聲所掩埋，因此,要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，要先進(jìn)行預(yù)處理，將大部分噪聲濾除并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)電路所要求的幅度范圍。所以，需通過前置放大電路、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(cè)信號(hào)[6]。光電檢測(cè)模塊的組成框圖如圖1所示。

1.1 常見基礎(chǔ)紅外光電轉(zhuǎn)換電路

圖1 光電檢測(cè)電路模塊框圖Fig.1 Block digram of photo electrical detection circuit module

光電轉(zhuǎn)換電路要求靈敏度高，線性度好，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖2為常見基礎(chǔ)紅外光電轉(zhuǎn)換電路。光敏三極管是在光敏二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的半導(dǎo)體光敏器件，它不僅有光電轉(zhuǎn)換的作用，同時(shí)還具有放大功能，等效于光敏二極管和普通三極管的組合元件。對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)來說，由于實(shí)驗(yàn)所測(cè)光信號(hào)幅度很小，所以選擇光敏三極管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換[7]。

圖2 常見基礎(chǔ)紅外光電轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Common basic infrared optoelectronic switching circuit

圖2（a）為負(fù)載電阻下端的輸出電壓電路，光敏三極管VQ1的b－c結(jié)被有效地反向偏置，b－c結(jié)的光生電流直接反饋入器件的基極。由于三極管的正常電流放大作用，放大的輸出電流以集電極電流的形式出現(xiàn)，并在負(fù)載電阻R的下端輸出光電轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的電壓信號(hào)UO。

圖2（b）為負(fù)載電阻上端的輸出電壓電路，R接在VQ1管的下端，光敏三極管VQ1的基極開路，沒有負(fù)反饋?zhàn)饔茫浒l(fā)射極電流與集電極電路相同。輸出電壓信號(hào)的變化應(yīng)該與圖2（a）所示電路的輸出信號(hào)相似，實(shí)際上圖 2（b）比圖 2（a）光電轉(zhuǎn)換電路輸出端獲得的電壓更穩(wěn)定，線性度更好。

圖2（c）所示電路為采用場(chǎng)效應(yīng)管作為恒流源的光電轉(zhuǎn)換傳感器電路。場(chǎng)效應(yīng)管與偏置電阻組成的恒流源為光敏三極管VQ2提供一定的電流，調(diào)節(jié)R的阻值可改變VQ2管的柵源偏壓，從而改變恒流源的電流值。恒流源的直流電阻較小，但恒流源的動(dòng)態(tài)電阻很大，當(dāng)入射光的照度有較小的變化時(shí)，恒流源的端電壓就會(huì)有較大的變化，這就使光電轉(zhuǎn)換電路的輸出端獲得較大的電壓值。實(shí)驗(yàn)證明，圖2（b）的光電流與光照度線性關(guān)系最好，所以本文選擇圖2（b）所示電路作為光電轉(zhuǎn)換電路。

由于太陽光譜中紅外光集中在波段為622～770 nm范圍內(nèi)，故在選擇光敏三極管時(shí)，選擇響應(yīng)波長(zhǎng)峰值大于太陽光能量譜中處于谷低的波長(zhǎng)即770 nm，減少太陽光對(duì)轉(zhuǎn)換器件的影響。

1.2 放大電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的光敏三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2～5 V。而輸出的電壓信號(hào)非常微弱，通常為微伏級(jí)，所以一般還需要繼續(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3所示。

圖3 典型放大電路Fig.3 Typical amplifying circuit

1.3 濾波電路的設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，不但含有紅外光的信號(hào)，還含有自然光、白噪聲、器件本身的噪聲干擾，其中以自然光干擾為主。為了從光電轉(zhuǎn)換信號(hào)里提取有用的電信號(hào)，濾除自然光的干擾，本設(shè)計(jì)在前置放大電路后加入一個(gè)帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲。

有源濾波器是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運(yùn)放等有源器件的濾波器，它相對(duì)于無源濾波器的特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、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(jiǎn)單，性能優(yōu)良。本設(shè)計(jì)中放大器選用的是LM224，它包含有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，并且具有低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流、低輸入偏置電流等。濾波電路帶寬的確定是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，為使濾波效果達(dá)到最好，帶寬應(yīng)越小越好，然而受器件本身因素的限制，帶寬不可能無限小，經(jīng)過多次計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了帶寬較小能滿足系統(tǒng)需要的帶通濾波器，如圖4所示。

該主放大器的放大倍數(shù)為 A=1+R2/R1，其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作,設(shè)計(jì)

時(shí)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

圖4 帶通濾波器Fig.4 Band-pass filter

上圖的帶通濾波器是由1個(gè)二階的低通濾波和1個(gè)二階的高通濾波所組成的，其中低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)R5=R6=8 KΩ，Q1=Q2=45 pF時(shí)，可解出低通截止頻率為 f0=450 kHz，當(dāng) R9=R11=12 kΩ，Q3=Q4=800 pF 時(shí)，可解出高通截止頻率為16 kHz。

當(dāng)f=100 kHz的正弦波經(jīng)過帶通濾波器后，效果如下圖5所示。

1.4 完整的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的完整光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)如下圖6所示。

圖5 f=100 kHz的正弦波通過帶通濾波器的效果圖Fig.5 Effect diagram when f=100 kHz’s sine waveform pass the pass-band filter

圖6 完整的光電檢測(cè)電路Fig.6 Whole photo electrical inspection circuit

2 結(jié)束語

本文研究了光電檢測(cè)的原理和方法，設(shè)計(jì)出一套完整的光電檢測(cè)系統(tǒng)，其中用光敏三極管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，不僅能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，還將微弱小信號(hào)進(jìn)行了放大處理。根據(jù)紅外光信號(hào)及噪聲的特點(diǎn)，確定了電路中主要元器件的值，從而使得掩埋在大噪聲背景下的紅外光信號(hào)的檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)，并為后續(xù)的處理做好準(zhǔn)備。在紅外器件的設(shè)計(jì)中可以運(yùn)用該系統(tǒng)作為接收信號(hào)的前置調(diào)理電路。圖7為100 kHz的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，接收管經(jīng)過上述設(shè)計(jì)系統(tǒng)后的效果圖。其中方波為驅(qū)動(dòng)波形，正弦波為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換出的接收波形。

圖7 系統(tǒng)處理后的效果圖Fig.7 Results after processing of the system

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