基于光電倍增管的弱光檢測電路設(shè)計(jì)

溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院 鄭群生 張理兵 毛建智 陳 龍

1.引言

在各種光傳感器件中，光電倍增管（PMT，Photo Multiplier Tube）是性能最好的一種，無論在靈敏度、響應(yīng)速度、噪聲系數(shù)還是動態(tài)范圍上都遙遙領(lǐng)先于其他的光傳感器件，更難能可貴的是它的輸出信號在相當(dāng)大范圍內(nèi)保持著高度的線性輸出。

本文設(shè)計(jì)的弱光檢測電路包括光電倍增管的分壓器回路和光電倍增管陽極微弱電流轉(zhuǎn)換放大電路兩部分。光電倍增管采用北京濱松公司的譜響應(yīng)為300nm～650nm（S-4）的R105型光電倍增管，R105型倍增管直徑只有1-1/8英寸、九級倍增、側(cè)窗型，采用特殊設(shè)計(jì)的抗滯后結(jié)構(gòu)，具有極好的輸出穩(wěn)定性，能廣泛適用于分光光度計(jì)、照度計(jì)、光密度計(jì)等技術(shù)領(lǐng)域[1]。

2.光電倍增管分壓器回路設(shè)計(jì)

九級倍增的R105型光電倍增管的分壓器回路采用陽極接地，陰極加負(fù)高壓的方法，使電流計(jì)、電流電壓轉(zhuǎn)換、用運(yùn)算放大器回路等外部回路和光電倍增管陽極在無電位差情況下易于連接。具體分壓回路如如圖1所示，圖中K為光電發(fā)射陰極（光陰極），DY1～DY9為九級電子倍增極，P為電子收集極（陽極）。接于高壓Vh上的串聯(lián)電阻R1～R10，將Vh分割成所需要的梯度遞增的倍增電壓Vd1～Vd9供給PMT的各個倍增極使用。光電倍增管的增益可以通過調(diào)節(jié)各倍增極的極間電壓來實(shí)現(xiàn)。此外，為了遮蔽雜光，提高對外部電磁場的抗干擾能力，需把光電倍增管放置在金屬的屏蔽罩里。

回路中Ib是分壓器電流，其是流過分壓器回路的電流，它和輸出線性有很大的關(guān)系。若R1～R10均相等，在沒有任何光照并且PMT的暗電流為0的理想條件下，分壓器回路可以提供線性遞增的均分偏壓共給各個倍增電極。此時

實(shí)際情況是，即使在R1～R10均相等并且高壓電源Vh穩(wěn)定的條件下，只要陽極電流不為0，得到的偏壓也不是線性均分的。因?yàn)?，各個倍增極的電流要流過分壓電阻鏈，而且越靠近陰極的電阻上流過的電流越大，電阻上的壓降也就越大。由于總電壓Vh是穩(wěn)定的（定數(shù)），靠近陰極側(cè)的電阻上壓降增加必然導(dǎo)致靠近陽極側(cè)的電阻上壓降減少，這稱為電壓再（重）分配效應(yīng)。這樣，一方面導(dǎo)致各個倍增極的偏置電壓會隨陽極電流的變化而波動，從而使PMT的總增益發(fā)生波動。另一方面導(dǎo)致偏置電壓的線性均分性受到影響。

圖1 R105型光電倍增管分壓器回路

圖2 微弱電流轉(zhuǎn)換與放大電路

無論是線性均分的偏置電壓還是非線性的偏置電壓應(yīng)用場合，均希望各倍增極上的偏壓等于設(shè)計(jì)值而不要隨陽極電流的變化而發(fā)生波動。因此采用圖1的電壓分配回路，又要保證電壓重分配效應(yīng)引起的倍增極偏置電壓偏離線性增益的程度在1%以內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，陽極電流IP的最大值必須在分壓器電流Ib的1%以內(nèi)[2]。

3.微弱電流轉(zhuǎn)換放大電路的設(shè)計(jì)

由于光電倍增管陽極輸出的電流比較小，特別是檢測光很微弱的時候，可能是nA級別的微弱電流。本設(shè)計(jì)中微弱電流轉(zhuǎn)換與放大電路如圖2所示，由3級運(yùn)放組成：第一級U1為I/V轉(zhuǎn)換電路，反饋電阻Rf和反饋電容Cf可以通過JP1的跳線進(jìn)行選擇，根據(jù)需要選擇R12和C4、R15和C5或R16和C8三組中的一組；U2和U3為兩級電壓放大級，各放大10倍左右。由于光電倍增管出來的是負(fù)極性電流，因此放大后的電壓Vout為正極性電壓。下面對此電路的I/V轉(zhuǎn)換電路和減小干擾的關(guān)鍵點(diǎn)加以說明。

3.1 I/V轉(zhuǎn)換電路

I/V轉(zhuǎn)換電路的作用是將被測的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如圖2所示。輸入電流Iin即光電倍增管陽極輸出電流，加至運(yùn)算放大器的反相輸入端，輸出端與反向輸入端之間接高阻值的反饋電阻Rf和反饋電容Cf，運(yùn)算放大器同相端接地。這樣，第一級運(yùn)放的輸出V01為：

（1）運(yùn)算放大器的選擇

運(yùn)算放大器應(yīng)該近似為理想的運(yùn)算放大器，才能滿足前面的假設(shè)條件，這就要求其開環(huán)放大倍數(shù)和輸入電阻應(yīng)為無窮大，這才能保證輸入端工作電流為0，也要求輸出電阻為無窮小，這才能保證輸出電壓不隨下級負(fù)載而變；同時還要選擇零點(diǎn)偏移小、溫度漂移小、噪聲電壓小的運(yùn)算放大器件。運(yùn)算放大器最好選零點(diǎn)偏移小，無外部調(diào)零的器件。

（2）反饋電阻Rf的選擇

輸出電壓既不能太小也不能太大，應(yīng)該根據(jù)器件情況選一個合適的值。如果輸出電壓太小，一是容易受到噪聲信號的干擾，二是會增加下級放大器的負(fù)擔(dān)。通常要求輸出電壓應(yīng)比運(yùn)算放大器的噪聲電壓至少大于兩個數(shù)量級或更大。如果輸出電壓太大，一是必然要增大反饋電阻Rf，二是增大對運(yùn)算放大器性能的要求。反饋電阻Rf過大其穩(wěn)定性變差，容易造成干擾[3]，測量時間也變長，同時反饋電阻的選取和測量也變得十分困難。綜上所述，可將I/V轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓設(shè)定在50～100mV之間是比較合適的[4]，然后選擇相應(yīng)的反饋電阻Rf。

（3）反饋電容Cf的選擇

對于并聯(lián)負(fù)反饋放大器，反饋之路反饋電阻Rf折算到輸入端的等效輸入電阻Rsf為反饋電容Cf等效到輸入端時相當(dāng)于設(shè)輸入端的分布電容為C0，Rf兩端的分布電容為Cf0，由于Cf0較小約為1pF左右，C0約為10pF左右，而反饋電容Cf取值通常為幾十到幾百pF，以及，輸入端總的等效輸入電容輸入端的時間常數(shù)由于輸入端輸入電阻和輸入電容的積分作用，當(dāng)有信號輸入或變化時，輸出信號要經(jīng)5τ的時間才能達(dá)到穩(wěn)定，即為測量時間[5]。如果，則達(dá)到穩(wěn)定輸出所需的時間0.05ms。

反饋電容Cf起積分作用，可抑制或平滑噪聲的干擾。Cf越大，抑制噪聲的能力就越強(qiáng)，但要降低響應(yīng)速度，要權(quán)衡考慮其取值。其實(shí)Cf還有補(bǔ)償輸入端分布電容的作用，以防出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

3.2 減小干擾的措施

減小干擾對微弱電流的放大是很必要的，其干擾源來自多方面，有的來自器件本身，有的來自外部。除了選擇穩(wěn)定性好、噪聲小的器件外，在電路上和工藝上采取以下措施。

（1）電源退耦濾波

在每個運(yùn)算大器的正負(fù)電源端都串加一個RC退耦濾波節(jié)，其作用是減小放大器各部分電路之間通過公共直流電源產(chǎn)生的寄生耦合，穩(wěn)定放大器的工作，防止產(chǎn)生振蕩和干擾。電阻的選擇要恰當(dāng)，電容通常由一大一小兩個并聯(lián)，大容量電容本身有電感，對快變化的電流脈沖濾波效果不理想，再并一小電容可達(dá)到較好的效果。

（2）輸出濾波

反饋式電流放大器型I/V轉(zhuǎn)換電路對噪聲的干擾很敏感，若被測電流受到偶然噪聲信號的擾動，經(jīng)Rf放大后會對后續(xù)電路產(chǎn)生很大的影響。對輸出進(jìn)行濾波可以抑制或平滑偶然噪聲的干擾，在下級輸入電阻（1）的兩端對地各接一個小電容，構(gòu)成π型濾波。

另外，把轉(zhuǎn)換電路同相輸入端直接接地，因?yàn)閱味溯斎氲腎/V轉(zhuǎn)換電路所用的運(yùn)算放大器其輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓均極低，所用的反饋電阻又極大，如果在同相端對地接一高阻值偏置電阻會引起干擾，通常不予采用。

（3）工藝要求

I/V轉(zhuǎn)換電路的各接地點(diǎn)要相互靠近；輸入電流采用高絕緣噪聲電纜，并盡量短，以免降低輸入阻抗和減小分布電容的影響；輸入電纜屏蔽層需要單端接地，以免減低屏蔽保護(hù)作用；電纜和電路板應(yīng)避免震動、扭曲等機(jī)械變形，以防引起壓電效應(yīng)和摩擦生電效應(yīng)而產(chǎn)生干擾；連接導(dǎo)線采用同等材料的良導(dǎo)體線，以免兩種金屬熱電勢不同而產(chǎn)生噪聲。

4.結(jié)束語

在微弱電流轉(zhuǎn)換放大電路之后，利用A/D轉(zhuǎn)換器件，或數(shù)據(jù)采集卡采集后，就可以得到數(shù)字量的微弱光的光強(qiáng)。試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的基于光電倍增管的弱光檢測電路能很好的檢測出發(fā)光細(xì)菌毒性試驗(yàn)中發(fā)出的微弱光強(qiáng)。

[1]北京濱松光子技術(shù)股份有限公司.產(chǎn)品信息[EB/OL].http://www.bhphoton.com/product.asp.

[2]濱松光子學(xué)株式會社.光電倍增管——光探測器開拓光子學(xué)的未來(中譯本)[M].北京:北京濱松光子技術(shù)股份有限公司,1995.

[4]周波,等.弱電流測試儀的研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2003,23(1):94.

[5]清華大學(xué).射線儀器電子學(xué)(上冊)[M].北京:原子能出版社.