微弱光強信號采樣電路設(shè)計

余明+陳鋒+李抄+吳太虎

文章編號： 10055630(2014)03025305

收稿日期： 20131213

作者簡介： 余明(1990),男,碩士研究生,主要從事生物醫(yī)學工程智能儀器方面的研究。

通訊作者： 吳太虎(1962),男，研究員，主要從事野戰(zhàn)急救技術(shù)與裝備系統(tǒng)集成方面的研究。

摘要： 微弱光信號檢測電路應用在許多精密測量儀器中。針對微弱光強信號放大采樣問題,分析了傳統(tǒng)光電檢測電路存在的不足,采用S2387系列光電二極管,結(jié)合多級放大電路與T型反饋電阻網(wǎng)絡,設(shè)計了一種放大倍率可編程的微弱光強信號采樣電路?；趯嶒灁?shù)據(jù)的分析,通過對前后級放大倍數(shù)的合理分配,該電路兼顧了提高響應速度與降低噪聲的要求,簡潔可靠,適合于光強和波長變化范圍大的微弱熒光、散射光和反射光檢測。

關(guān)鍵詞： 微弱光信號; T型反饋電阻網(wǎng)絡; 多級放大電路; 可編程放大倍率

中圖分類號： TH 89文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.014

The design of a sampling circuit for faint optical signal

YU Ming, CHEN Feng, LI Chao, WU Taihu

(Institute of Medical Equipment, Military Medical Science Academy of the PLA, Tianjin 300161, China)

Abstract： Faint optical signal detection circuit is used in many precision measuring instruments. To solve the problem of amplification and sampling for faint optical signal, this paper analyzes the shortcomings of traditional photoelectric detection circuit, designs a kind of photoelectric detection circuit with programmable magnification, based on the applications of Tnetwork of feedback resistance and multistage amplifier circuit. Through the rational allocation of before and after class magnification, this sampling circuit that improves the response speed and reduces noise requirements, is suitable for the detection of faint fluorescence, scattered light and reflected light with large range of intensity and wavelength.

Key words： faint optical signal; Tnetwork of feedback resistance; multistage amplifier circuit; programmable magnification

引言目前光電檢測電路已被應用到許多領(lǐng)域。在光電系統(tǒng)中,光電檢測電路把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,并對電信號進行放大,再與后面的檢測和運算系統(tǒng)對接。光電檢測電路在整個光電系統(tǒng)中是非常重要的,它的性能好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能好壞［1］?，F(xiàn)結(jié)合光電二極管、集成運算放大器構(gòu)成的二級放大電路、T型網(wǎng)絡、濾波器和高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片,設(shè)計一種通用的高放大倍率、高精度、低噪聲的微弱光強信號采樣電路。1二級放大電路在熒光、散射光和微弱的反射光檢測中,光信號比較微弱,一般為1～10 nW。本設(shè)計采用的光電二極管為日本濱松生產(chǎn)的S2387系列66R型,該型號光電二極管擁有高線性、高靈敏度和小的暗電流,可用于320～1 100 nm波長的微弱光強信號檢測。該型號光電二極管響應率約為0.1～0.58 A/W,等效噪聲功率為2.2×10-15 W/Hz12,1×10-12W的光強變化即可引起有效的光電流變化［2］,由此可知,該型號光電二極管可以滿足測量要求。光電二極管有兩種工作模式:零偏置工作的光伏模式和反向偏置的光導模式。在光導模式下,響應速度快,但存在暗電流,有非線性;在光伏模式下,不存在暗電流,沒有導電產(chǎn)生的散粒噪聲,線性好,但切換速度低于光導模式［3］?？紤]到在微弱光強信號測量中,暗電流帶來的散粒噪聲非常明顯,本設(shè)計采用零偏置工作的光伏模式,應用于頻率不高的微弱光信號檢測［4］。nW級的微弱光強信號,在PD上引起的光電流約為幾nA,需要將該電流轉(zhuǎn)換、放大到可供檢測的電壓大小,需要為PD負載1 GΩ大小的電阻。然而,光電二極管的響應時間會隨其負載電阻的增加而增加。經(jīng)實驗得知,如圖1、圖2、圖3所示,當負載電阻分別為100 kΩ,1 MΩ,10 MΩ時,光電響應時間分別約為300 μs,600 μs,1 000 μs。圖1Rf1=100 kΩ時,響應時間約為300 μs

Fig.1When Rf1=100 kΩ,response time about 300 μs圖2Rf1=1 MΩ時,響應時間約為600 μs

Fig.2When Rf1=1 MΩ,response time about 600 μs

光學儀器第36卷

第3期余明，等：微弱光強信號采樣電路設(shè)計

圖3Rf1=10 MΩ時,響應時間約為1 000 μs

Fig.3When Rf1=10 MΩ,response time about 1 000 μs因此,基于對系統(tǒng)響應時間的考慮,既保證響應時間,又提高放大倍數(shù),可采用如圖4所示的二級放大電路實現(xiàn)信號的放大。第一級先將光電二極管產(chǎn)生的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,第二級再進行電壓信號的放大。在放大倍率的分配上,一般基于以下兩點的綜合考慮:(1)第一級Ⅳ轉(zhuǎn)換電路的負載電阻越大,系統(tǒng)響應時間越長;(2)前置放大器的噪聲會逐級傳遞,因此,分配在第一級的放大倍數(shù)越大,系統(tǒng)的噪聲越?。?6］。因此,應視具體對系統(tǒng)噪聲和相應時間的要求,決定放大倍率的分配。在本設(shè)計中,第一級為負載約為1 MΩ左右的Ⅳ轉(zhuǎn)換電路,將nA級的電流信號轉(zhuǎn)換成mV級的電壓信號;第二級為閉環(huán)增益為1 000左右的負反饋放大電路。這樣的設(shè)計,將nA級的電流信號放大到了足以供檢測的V級電壓信號范圍,也保證了系統(tǒng)響應時間在1 ms以下,同時將放大倍率盡可能地分配給了前置放大器,盡量減少了系統(tǒng)噪聲。

圖4二級放大電路

Fig.4Secondary amplifier circuit

2T型網(wǎng)絡本設(shè)計中,第一級為等效電阻約為1 MΩ的Ⅳ轉(zhuǎn)換電路,第二級為閉環(huán)增益1 000左右的負反饋放大電路。對于第一級來說,即需要使電阻Rf1在1 MΩ左右;對于第二級來說,為了盡量減少后續(xù)電路對第一級輸出的微弱電壓信號能量的吸收,要求二級放大電路的輸入電阻較大。由輸入電阻Ri=Rx可知,電阻Rx的阻值應較大。又因?qū)Φ诙夒娐穪碚f,閉環(huán)增益Au=-Rf2/Rx,要使閉環(huán)增益Au在1 000左右,同時保證電阻Rx在100 kΩ以上,則需要反饋電阻Rf2在100 MΩ左右。對于放大電路來說,溫度漂移所引起的誤差是其靜態(tài)誤差的主要來源。減少溫度漂移誤差的主要方法除了選擇失調(diào)漂移較小的運放以外,選用穩(wěn)定性高的電阻也非常重要。但是,阻值在1 MΩ以上的電阻,穩(wěn)定性都較差。因此,出于減少溫度漂移引起的靜態(tài)誤差的考慮,希望放大電路中選用阻值較小的電阻［7］。為降低溫度漂移引起的靜態(tài)誤差且獲得較大的放大倍數(shù),本設(shè)計中將傳統(tǒng)的放大電路（如圖5所示）用反饋電阻的T型網(wǎng)絡來代替(如圖6所示)。

圖5傳統(tǒng)的放大器電路

Fig.5Traditional amplifier circuit圖6T型反饋電阻網(wǎng)絡放大器電路

Fig.6Tnetwork of feedback resistance

如圖6所示,用Rf、R1、R2組成的T型網(wǎng)絡代替了圖5中的反饋電阻Rf的位置。在該電路中,根據(jù)運算放大器特性:V-≈V+=0I-≈0應用基爾霍夫電流定律:IR2=IRf + IR1IRf=IIn而且:IR1= Rf/R1×IRf綜上:Vout=- IIn×(R2 + Rf + R2/R1×Rf)因此,等效反饋電阻Rf_equ為:Rf_equ=R2 + Rf+ R2/R1×Rf由上式可知,僅需用幾個阻值較小的電阻,即可產(chǎn)生一個很大的反饋電阻。例如,取Rf=330 kΩ,R2=330 kΩ,R1=1 kΩ,則等效電阻Rf_equ=109.56 MΩ,足以滿足大倍率的放大要求。由上述討論可知,在放大電路中采用T型反饋電阻網(wǎng)絡,可以避免大電阻帶來溫漂誤差的同時得到很大的等效反饋電阻,從而實現(xiàn)信號的大倍率放大;在電路實現(xiàn)上,僅比傳統(tǒng)放大電路增加了兩個電阻,并未明顯增加電路成本及復雜度［8］。3實現(xiàn)放大倍率的可編程本設(shè)計采用帶SPI串行接口的12位逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器MCP3202,在VDD=+5 V,VSS=0 V供電下工作。該工作狀態(tài)下,其最大采樣頻率為100 kHz,最小分辨率約為1.22 mV。該芯片將從OUTPUT端口采集到的模擬電壓信號,轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號,通過SPI串行接口,傳給MCU。為使從OUTPUT端口得到的信號精度達到最優(yōu)并不超過A/D 轉(zhuǎn)換器的量程,光強信號在其最大值時,OUTPUT端口的電壓信號也接近A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程(即5 V)。但是,由圖7可知,66R型光電二極管在其光譜響應范圍內(nèi)的信號動態(tài)范圍很大,再加上分光系統(tǒng)中的光學器件對不同波長光的衰減特性不同,不同波長光照引起的光電流之間可相差幾十倍［9］。如果按照傳統(tǒng)的放大電路,確定一個固定的放大倍率,很難將所有波長引起的光電流都放大到合適的大小。如果能夠?qū)崿F(xiàn)放大倍率的可編程,由MCU控制放大倍率,則可根據(jù)需要隨時調(diào)整放大倍率至適當數(shù)值。因此,本設(shè)計在其二級放大電路的輸入電阻與運算放大器之間,增加了一個8通道模擬選通器,如圖8所示。

圖766R型光電二極管的光譜響應率曲線

Fig.7Spectral responsivity curve of

66R type photodiode圖8用選通器實現(xiàn)放大倍率的可編程

Fig.8Programmable magnification by strobe device

將A,B,C分別連接MCU的三個IO口,即可通過改變?nèi)齻€管腳的邏輯電平,選通X0～X7中的任意一個輸入通道至Y管腳,從而選擇R0~R7中任意一個作為輸入電阻,實現(xiàn)放大倍率的可編程。這樣,便可通過MCU程序進行放大倍率的選擇,使OUTPUT端口得到合適的電壓信號,輸入給A/D轉(zhuǎn)換器。4解決50 Hz工頻干擾在微弱電流信號的檢測電路中,經(jīng)常會出現(xiàn)50 Hz的工頻干擾信號,可以根據(jù)干擾的不同來源,通過以下三個途徑予以解決:(1)干擾信號來自電源。如果電源管理部分設(shè)計不恰當,則無法有效過濾市電中的50 Hz交流信號?？稍O(shè)計一個后端由穩(wěn)定性好、負載響應快、輸出紋波小的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)供電的電源管理電路,代替開關(guān)電源,可有效濾掉市電中的干擾信號。圖950 Hz陷波器

Fig.9Trap filter of 50 Hz(2)干擾信號來自天線效應。由于交流市電的影響,環(huán)境中經(jīng)常會存在50 Hz的電磁波,如果采集電路部分PCB布線不恰當或傳感器有較長的連線,則會使該電路產(chǎn)生天線效應,接收到環(huán)境中的電磁波?？稍O(shè)計一個金屬盒或金屬網(wǎng),將整個電路包裹在內(nèi),可以有效屏蔽環(huán)境中的電磁波干擾。(3)如果以上兩種方案由于各種限制不便采用,或者無法解決問題,則需要增加一個如圖9所示的50 Hz陷波器。將圖9所示陷波器,加到一級放大和二級放大之間,即可有效過濾掉50 Hz的工頻干擾信號。5結(jié)論經(jīng)實驗驗證,應用本文設(shè)計的微弱光強信號檢測電路,可以檢測320～1 100 nm波長的nW級微弱光強信號的變化,響應時間小于1 ms,噪聲低,尤其適合檢測光強和波長變化范圍大的光信號,可廣泛適用于多種微弱熒光、散射光和反射光檢測。參考文獻：

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［9］周明昱,嚴惠民.分光光度計光強采樣電路設(shè)計［J］.光學儀器,2003,25(4):6772.

圖5傳統(tǒng)的放大器電路

Fig.5Traditional amplifier circuit圖6T型反饋電阻網(wǎng)絡放大器電路

Fig.6Tnetwork of feedback resistance

如圖6所示,用Rf、R1、R2組成的T型網(wǎng)絡代替了圖5中的反饋電阻Rf的位置。在該電路中,根據(jù)運算放大器特性:V-≈V+=0I-≈0應用基爾霍夫電流定律:IR2=IRf + IR1IRf=IIn而且:IR1= Rf/R1×IRf綜上:Vout=- IIn×(R2 + Rf + R2/R1×Rf)因此,等效反饋電阻Rf_equ為:Rf_equ=R2 + Rf+ R2/R1×Rf由上式可知,僅需用幾個阻值較小的電阻,即可產(chǎn)生一個很大的反饋電阻。例如,取Rf=330 kΩ,R2=330 kΩ,R1=1 kΩ,則等效電阻Rf_equ=109.56 MΩ,足以滿足大倍率的放大要求。由上述討論可知,在放大電路中采用T型反饋電阻網(wǎng)絡,可以避免大電阻帶來溫漂誤差的同時得到很大的等效反饋電阻,從而實現(xiàn)信號的大倍率放大;在電路實現(xiàn)上,僅比傳統(tǒng)放大電路增加了兩個電阻,并未明顯增加電路成本及復雜度［8］。3實現(xiàn)放大倍率的可編程本設(shè)計采用帶SPI串行接口的12位逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器MCP3202,在VDD=+5 V,VSS=0 V供電下工作。該工作狀態(tài)下,其最大采樣頻率為100 kHz,最小分辨率約為1.22 mV。該芯片將從OUTPUT端口采集到的模擬電壓信號,轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號,通過SPI串行接口,傳給MCU。為使從OUTPUT端口得到的信號精度達到最優(yōu)并不超過A/D 轉(zhuǎn)換器的量程,光強信號在其最大值時,OUTPUT端口的電壓信號也接近A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程(即5 V)。但是,由圖7可知,66R型光電二極管在其光譜響應范圍內(nèi)的信號動態(tài)范圍很大,再加上分光系統(tǒng)中的光學器件對不同波長光的衰減特性不同,不同波長光照引起的光電流之間可相差幾十倍［9］。如果按照傳統(tǒng)的放大電路,確定一個固定的放大倍率,很難將所有波長引起的光電流都放大到合適的大小。如果能夠?qū)崿F(xiàn)放大倍率的可編程,由MCU控制放大倍率,則可根據(jù)需要隨時調(diào)整放大倍率至適當數(shù)值。因此,本設(shè)計在其二級放大電路的輸入電阻與運算放大器之間,增加了一個8通道模擬選通器,如圖8所示。

圖766R型光電二極管的光譜響應率曲線

Fig.7Spectral responsivity curve of

66R type photodiode圖8用選通器實現(xiàn)放大倍率的可編程

Fig.8Programmable magnification by strobe device

將A,B,C分別連接MCU的三個IO口,即可通過改變?nèi)齻€管腳的邏輯電平,選通X0～X7中的任意一個輸入通道至Y管腳,從而選擇R0~R7中任意一個作為輸入電阻,實現(xiàn)放大倍率的可編程。這樣,便可通過MCU程序進行放大倍率的選擇,使OUTPUT端口得到合適的電壓信號,輸入給A/D轉(zhuǎn)換器。4解決50 Hz工頻干擾在微弱電流信號的檢測電路中,經(jīng)常會出現(xiàn)50 Hz的工頻干擾信號,可以根據(jù)干擾的不同來源,通過以下三個途徑予以解決:(1)干擾信號來自電源。如果電源管理部分設(shè)計不恰當,則無法有效過濾市電中的50 Hz交流信號?？稍O(shè)計一個后端由穩(wěn)定性好、負載響應快、輸出紋波小的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)供電的電源管理電路,代替開關(guān)電源,可有效濾掉市電中的干擾信號。圖950 Hz陷波器

Fig.9Trap filter of 50 Hz(2)干擾信號來自天線效應。由于交流市電的影響,環(huán)境中經(jīng)常會存在50 Hz的電磁波,如果采集電路部分PCB布線不恰當或傳感器有較長的連線,則會使該電路產(chǎn)生天線效應,接收到環(huán)境中的電磁波?？稍O(shè)計一個金屬盒或金屬網(wǎng),將整個電路包裹在內(nèi),可以有效屏蔽環(huán)境中的電磁波干擾。(3)如果以上兩種方案由于各種限制不便采用,或者無法解決問題,則需要增加一個如圖9所示的50 Hz陷波器。將圖9所示陷波器,加到一級放大和二級放大之間,即可有效過濾掉50 Hz的工頻干擾信號。5結(jié)論經(jīng)實驗驗證,應用本文設(shè)計的微弱光強信號檢測電路,可以檢測320～1 100 nm波長的nW級微弱光強信號的變化,響應時間小于1 ms,噪聲低,尤其適合檢測光強和波長變化范圍大的光信號,可廣泛適用于多種微弱熒光、散射光和反射光檢測。參考文獻：

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［7］張正茂,陳峰.光電探測放大器的噪聲分析［J］.光電技術(shù)應用,2012,27(3):3740.

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［9］周明昱,嚴惠民.分光光度計光強采樣電路設(shè)計［J］.光學儀器,2003,25(4):6772.

圖5傳統(tǒng)的放大器電路

Fig.5Traditional amplifier circuit圖6T型反饋電阻網(wǎng)絡放大器電路

Fig.6Tnetwork of feedback resistance

如圖6所示,用Rf、R1、R2組成的T型網(wǎng)絡代替了圖5中的反饋電阻Rf的位置。在該電路中,根據(jù)運算放大器特性:V-≈V+=0I-≈0應用基爾霍夫電流定律:IR2=IRf + IR1IRf=IIn而且:IR1= Rf/R1×IRf綜上:Vout=- IIn×(R2 + Rf + R2/R1×Rf)因此,等效反饋電阻Rf_equ為:Rf_equ=R2 + Rf+ R2/R1×Rf由上式可知,僅需用幾個阻值較小的電阻,即可產(chǎn)生一個很大的反饋電阻。例如,取Rf=330 kΩ,R2=330 kΩ,R1=1 kΩ,則等效電阻Rf_equ=109.56 MΩ,足以滿足大倍率的放大要求。由上述討論可知,在放大電路中采用T型反饋電阻網(wǎng)絡,可以避免大電阻帶來溫漂誤差的同時得到很大的等效反饋電阻,從而實現(xiàn)信號的大倍率放大;在電路實現(xiàn)上,僅比傳統(tǒng)放大電路增加了兩個電阻,并未明顯增加電路成本及復雜度［8］。3實現(xiàn)放大倍率的可編程本設(shè)計采用帶SPI串行接口的12位逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器MCP3202,在VDD=+5 V,VSS=0 V供電下工作。該工作狀態(tài)下,其最大采樣頻率為100 kHz,最小分辨率約為1.22 mV。該芯片將從OUTPUT端口采集到的模擬電壓信號,轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號,通過SPI串行接口,傳給MCU。為使從OUTPUT端口得到的信號精度達到最優(yōu)并不超過A/D 轉(zhuǎn)換器的量程,光強信號在其最大值時,OUTPUT端口的電壓信號也接近A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程(即5 V)。但是,由圖7可知,66R型光電二極管在其光譜響應范圍內(nèi)的信號動態(tài)范圍很大,再加上分光系統(tǒng)中的光學器件對不同波長光的衰減特性不同,不同波長光照引起的光電流之間可相差幾十倍［9］。如果按照傳統(tǒng)的放大電路,確定一個固定的放大倍率,很難將所有波長引起的光電流都放大到合適的大小。如果能夠?qū)崿F(xiàn)放大倍率的可編程,由MCU控制放大倍率,則可根據(jù)需要隨時調(diào)整放大倍率至適當數(shù)值。因此,本設(shè)計在其二級放大電路的輸入電阻與運算放大器之間,增加了一個8通道模擬選通器,如圖8所示。

圖766R型光電二極管的光譜響應率曲線

Fig.7Spectral responsivity curve of

66R type photodiode圖8用選通器實現(xiàn)放大倍率的可編程

Fig.8Programmable magnification by strobe device

將A,B,C分別連接MCU的三個IO口,即可通過改變?nèi)齻€管腳的邏輯電平,選通X0～X7中的任意一個輸入通道至Y管腳,從而選擇R0~R7中任意一個作為輸入電阻,實現(xiàn)放大倍率的可編程。這樣,便可通過MCU程序進行放大倍率的選擇,使OUTPUT端口得到合適的電壓信號,輸入給A/D轉(zhuǎn)換器。4解決50 Hz工頻干擾在微弱電流信號的檢測電路中,經(jīng)常會出現(xiàn)50 Hz的工頻干擾信號,可以根據(jù)干擾的不同來源,通過以下三個途徑予以解決:(1)干擾信號來自電源。如果電源管理部分設(shè)計不恰當,則無法有效過濾市電中的50 Hz交流信號?？稍O(shè)計一個后端由穩(wěn)定性好、負載響應快、輸出紋波小的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)供電的電源管理電路,代替開關(guān)電源,可有效濾掉市電中的干擾信號。圖950 Hz陷波器

Fig.9Trap filter of 50 Hz(2)干擾信號來自天線效應。由于交流市電的影響,環(huán)境中經(jīng)常會存在50 Hz的電磁波,如果采集電路部分PCB布線不恰當或傳感器有較長的連線,則會使該電路產(chǎn)生天線效應,接收到環(huán)境中的電磁波?？稍O(shè)計一個金屬盒或金屬網(wǎng),將整個電路包裹在內(nèi),可以有效屏蔽環(huán)境中的電磁波干擾。(3)如果以上兩種方案由于各種限制不便采用,或者無法解決問題,則需要增加一個如圖9所示的50 Hz陷波器。將圖9所示陷波器,加到一級放大和二級放大之間,即可有效過濾掉50 Hz的工頻干擾信號。5結(jié)論經(jīng)實驗驗證,應用本文設(shè)計的微弱光強信號檢測電路,可以檢測320～1 100 nm波長的nW級微弱光強信號的變化,響應時間小于1 ms,噪聲低,尤其適合檢測光強和波長變化范圍大的光信號,可廣泛適用于多種微弱熒光、散射光和反射光檢測。參考文獻：

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