自平衡差分探測器研究

盧艮萍，王強龍，李傳亮，王青獅，魏計林

(太原科技大學 應用科學學院，山西 太原 030024)

在大氣痕量氣體的探測中，應用較為廣泛的一種技術就是可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術，它是利用激光器波長調諧通過被測氣體的特征吸收區(qū)對光譜進行直接吸收。直接吸收光譜就是以波長為函數記錄被測氣體對入射光吸收的原形吸收線，由測量獲得的線性、線寬和強度可以計算出分子的吸收截面，進而計算出被測氣體的濃度，因此是一種不需定標的直接測量技術。由于二極管激光光源是譜線非常狹窄的可調諧強光源，因此原則上TDLAS 不需要傳統(tǒng)光譜測量中所用的分光儀等復雜的光機設計。這項技術具有靈敏度高、選擇性強以及非接觸測量等優(yōu)點［1］。

但是直接吸收方法也有它的不足之處，就是探測器接收到的信號噪聲較大且難去除，背景信號和激光器自身的低頻過剩噪聲限制了可探測信號。另外一個不確定貢獻來自于信號在光路中的抖動。為了抑制測量中的各種背景噪聲，本文應用自平衡差分技術設計了一種自平衡差分探測器［2］。該探測器電路設計簡單，成本低，具有很好的實用性。

1 系統(tǒng)的原理圖及工作原理

自平衡差分探測方法包含兩路輸入，其中一路為經過吸收池的信號光，對應探測器輸出電流為Isig，另外一路為不經過吸收池的參考光，對應探測器輸出電流為Iref，如圖1 所示。自平衡探測器自帶電子增益補償機制，低頻反饋回路中的電壓信號積分后作為自平衡電路的誤差信號，再由減法電路自動將兩個通道共有的噪聲信號消除，這樣輸出信號就將與吸收無關的大幅度直流部分扣除掉，留下的是反映吸收的微小信號，而且相關的背景噪聲、探測器噪聲和激光器光強起伏引起的噪聲也得到了抑制。

2 電路分析

電路由精密運算放大器OPA2227 和匹配單片四晶體管芯片MAT04 組成。其中，OPA2227 實現了互阻放大器和積分器的功能。

信號光由光電二極管D1轉換成的電流為Isig，參考光由光電二極管D2轉換成的電流為Iref。自平衡差分技術不是用Isig與Iref進行直接差分，而是用芯片匹配單片四晶體管MAT04 把Iref分成兩路電流I1和I2，用I2與Isig進行差分。在探測過程中，當I2與Isig不等時，通過OPA2227 組成的反饋回路改變電流I1與I2的相對大小，直到I2與Isig相等，這樣就達到了自動平衡的目的。

圖1 自平衡差分探測器電路原理圖

2.1 互阻放大電路

圖2 所示為互阻放大器電路原理圖，它是由精密運放OPA2227 和負載電阻構成的。運放的正向端接地，D1是接收信號用的光電二極管，反饋電阻R1決定增益的大小，Vbios是反向偏置電壓，它能夠提高光電管的線性度，減小結電容，增大電路帶寬［3］，能夠使D1產生的電流Isig，一路(I4)流向互阻放大器的負向端，一路(I3)流向MAT04。當改變反饋電阻R1時，就改變了此電路增益。當采用電壓反饋放大器時，在高頻時改變R1通常不影響電路的帶寬。這是由于閉環(huán)增益主要由輸入電容和反饋電容決定，使閉環(huán)增益與開環(huán)增益可能在預定點相交。如果采用電流反饋放大器，當改變R1時，就會改變電路的帶寬，使得電路的帶寬隨增益的變化而改變。另一方面，電流反饋放大器的反相輸入端電流噪聲要比電壓反饋放大器大。因此，本探測器中應該采用電壓反饋放大器。

設照射到二極管的光功率為Pi，二極管的電流響應度為Ri，則光電管產生的電流的大小為:

在理想的條件下，則互阻放大電路的輸出為:

圖2 互阻放大電路

2.2 積分電路

在電路中，由電阻R2、電容C 和放大器構成積分電路［4］，如圖3 所示。其中輸入電壓Vin為互阻放大器的輸出電壓Vout1，通過調節(jié)R1或R2的阻值來控制積分回路的輸出電壓Vout2，從而控制MAT04 來改變I1與I2的相對大小。

此積分電路的輸出表達式為:

圖3 積分電路

2.3 自平衡電路

MAT04 中的三極管對管是整個自平衡差分技術的核心，I1與I2的大小調整就是靠它完成。圖4 所示為其電路原理圖。

根據電子學理論［5］，流過PN 結的電流I 與PN 結兩端的電壓U 之間的關系為:

其中，Is為反向飽和電流，UT稱為溫度電壓當量，k 為玻爾茲曼常數，e 為電子電量，T 為溫度。在300 k 時，UT=26 mV。因此，流過MAT04 的管腳E1 的電流I1與流過管腳E4 的電流I2之比為:

Ub2為MAT04 的管腳B4 的電壓，它的大小與積分反饋回路的輸出電壓大小有關。

當I2與Isig不等時，其差值通過互阻放大器和積分電路反饋來的電壓Vout2來控制Ub2，從而改變I1與I2的相對大小，直到I2等于Isig。

圖4 MAT04 工作原理圖

3 平衡差分技術使用特性

要獲得較為理想的效果，實際應用自動平衡差分技術的過程中應注意以下幾個問題:

1)信號光與參考光比值的選擇

在信號光與參考光大小的選擇上，我們應該考慮以下兩方面的問題:第一，為使參考光的一部分能與信號光相平衡，參考光強應大于信號光強。第二，參考光強不能比信號光強大太多，以避免參考光強太大而可能使三極管飽和，不能實現所需的比例關系。根據我們設計的自平衡差分探測器，在信號光強適中并保持不變時，通過改變參考光的光強，確定信號光強與參考光強之比為6∶7。

2)光路改善

為了更好地消除共模噪聲，我們在探測器接收面的前端增加了一個聚焦透鏡，這樣就可以把信號光聚焦到探測器上，避免信號光散落到探測器接收面外而導致信號的丟失，使得探測器接收完全一致的信號光。除此之外，信號光與參考光的光程不能相差很大，太大會引起相位偏移。

4 結束語

本文用簡單的自平衡探測方法有效地減小了激光器波長等共模噪聲和其他通行干擾等影響，在一定程度上提高了氣體濃度檢測靈敏度。該方法簡單直接，成本非常低，有著較為廣泛的影響。

［1］董鳳忠，闞瑞峰，劉文清，等.可調諧二極管激光吸收光譜技術及其在大氣質量監(jiān)測中的應用［J］.量子電子學報，2005，22(3) ：315－325.

［2］黃湘寧.光電探測器的噪聲分析［J］.青海師范大學學報，2000(4) ：48－50.

［3］樊振方，羅輝.互阻放大器帶寬計算方法［J］.現代電子技術，2011(34) ：90－93.

［4］李奎芳，李太全.平衡取樣積分電路分析及應用［J］.長江大學學報，2006(3) ：34－37.

［5］童詩白.模擬電子技術基礎［M］.第4 版.北京：高等教育出版社，2010.