對數(shù)積分放大器在弱光檢測中的研究與應用

李常青，楊曉婭

（鄭州大學 信息工程學院，河南 鄭州450001）

引言

微弱信號檢測技術是利用電子技術對光學信息進行檢測的一門新興檢測技術，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療及科學研究等領域有著廣泛的應用［1-2］。對于微弱的光信號來說，一般先通過光電二極管把微弱光信號轉換為電信號，再將調(diào)制到光載波上的有用信號解調(diào)出來［3-4］。通常一些信號動態(tài)范圍很寬的信號（如雷達、聲吶），一般線性放大器無法處理，且在保證分辨率的情況下要求模數(shù)轉換器具有較高的位數(shù)。尤其對于微弱光信號來說，檢測信號與噪聲在強度上幾乎處于同一數(shù)量級，給信號的檢測帶來很大的難度［5-7］。常用的一些微弱信號檢測方法中需要用到諸如鎖相放大器等儀器，電路設計結構復雜且價格昂貴［8］?；趯?shù)放大器輸入輸出成對數(shù)關系，可以對寬動態(tài)范圍的數(shù)據(jù)信號進行壓縮變換再處理［9-11］。本文利用對數(shù)積分放大的原理設計了一種實用的微弱光檢測電路，整體電路由單片機實現(xiàn)時序控制、數(shù)據(jù)采樣及結果的處理，簡化了電路結構。

1 電路設計分析

1．1 前置放大電路

光電轉換的基本原理是當被測光照射到光探測器上時，產(chǎn)生相應的光電流，即將光信號轉化為電信號。光電轉換電路需要考慮的是：光電二極管、運算放大器和R∥C反饋網(wǎng)絡。在微弱光檢測中，光電二極管是光電轉換的主要器件，其靈敏度和響應速度決定了檢測系統(tǒng)的精度和工作速度。常用的光電二極管種類很多，本文采用了具有較高靈敏度和較低的暗電流的PN型（S1227-66B）和PIN型（LFSPD-2500）2種硅光電二極管作為光電探測器進行光電轉換輸出。

由于微弱光檢測中輸入光功率通常在nW量級以下，對應光電探測器輸出光電流一般nA量級，因此要求前置放大器具有低輸入噪聲并能夠響應小輸入偏置電流的特性。本設計中前置放大電路的運算放大器使用了具有低偏置電流和低輸入噪聲的高精度運算放大器OPA111。

圖1 前置放大電路Fig．1 Schematic of preamplifier circuit

圖1 所示為硅光電二極管的光電轉換及前置放大原理圖。PN光電二極管工作在零偏置狀態(tài)，理論分析可知，當電路工作在良好的線性條件下時，輸出電壓為

式中：Isc表示光照下光電二極管產(chǎn)生的光電流；S表示光電二極管的靈敏度；P表示入射光功率；R1一般取數(shù)百MΩ。電路中C1通常選取10pF左右，主要為了防止電路自激振蕩和高頻干擾，但同時限制了電路的帶寬。

PIN光電二極管工作在反向偏壓狀態(tài)下，其光電轉換電路的設計與PN光電二極管一致，只需要給PIN光電二極管加反向偏置電壓，其結電容會隨反向偏壓的增加而降低，從而提高響應速度。

1．2 對數(shù)積分放大器

弱光入射下，前置放大電路的輸出通常只有mV量級，因此需要低噪聲放大器將信號進一步放大處理。對數(shù)積分放大器具有對數(shù)放大器的放大及壓縮信號范圍的作用，同時又具有積分放大器的放大及消除紋波干擾的作用。本設計中，對數(shù)積分放大電路如圖2所示，對數(shù)放大部分由對稱三極管A39及精密運算放大器OP07構成；積分放大部分由OP07及單片機控制的SPST模擬開關DG201ABK構成；其中電容C2和C3用于相位補償，保證閉環(huán)工作的穩(wěn)定性。

由于對數(shù)放大電路中2只三極管的性能參數(shù)相同，對數(shù)放大電路輸入輸出電壓的關系為

式中：Uref為對數(shù)放大電路的輸入?yún)⒖茧妷?；VT為溫度的電壓當量，其大小隨溫度變化而變化，為減小溫度變化產(chǎn)生的誤差，R7選用正溫系數(shù)的熱敏電阻進行補償。

積分放大電路的充放電在單片機信號控制下交替進行。有光照時，開關S1閉合，S2打開，積分器工作，對數(shù)放大電路輸出的信號電壓通過R11、C11逐漸累積放大并輸出；沒有光照時，S1打開，S2閉合，C11上積累的電荷通過R13迅速放電，輸出信號回到零，以便進行下一個過程。積分器輸出的電壓為

若式中各電阻阻值、電容C11、參考電壓Uref及光電二極管的靈敏度S均為常數(shù)，則有：

式中a＝S×P／Uref?？梢婋娐返妮敵鲭妷河扇肷涔夤β实膶?shù)變換和積分時間決定。

圖2 對數(shù)積分放大器原理圖Fig．2 Schematic of logarithmic integrator amplifier

2 測試結果及分析

實際實驗中，電路供電電源為±10V，測試光源為直流供電的紅色發(fā)光二極管，其發(fā)光功率為5mW。通過調(diào)節(jié)發(fā)光二極管與光電二極管的距離調(diào)節(jié)入射光功率，入射光頻率通過斬光器進行調(diào)制。

圖3所示為入射光功率為0．5nW，頻率為10Hz時電路各部分的輸出波形。圖中波形①為前置放大器輸出波形；②為對數(shù)放大器輸出波形；③為積分放大器輸出波形。由圖3的結果可知，前置放大器輸出的信號很弱（mV級）且伴隨有很強的高頻干擾；經(jīng)對數(shù)放大器后，輸出信號達到數(shù)百mV且波形大大改善；在經(jīng)積分放大處理后，干擾信號的影響被消除，其輸出信號電壓值也被放大到較容易進行模數(shù)轉換處理的大小。

圖3 電路輸出波形圖Fig．3 Output waveforms of circuit

為研究電路的入射光功率的輸出特性，在固定入射光頻率（10Hz）情況下，分別測量了2種光電二極管（PN型和PIN型）作為光電轉換器件時，電路輸出電壓隨入射光功率變化時的特性，其測量結果如圖4所示。

圖4 入射光功率的輸出特性Fig．4 Output characteristics under different incident light powers

圖4 所示的測量結果顯示，2種光電二極管的輸出基本一致，均隨入射光功率的減小而減小。且在入射光功率變化約100倍時，電路輸出的變化只有5倍左右，即對輸入信號范圍具有壓縮功能。由輸入輸出關系可知，電路的輸出主要決定于入射光功率的對數(shù)變換和電路的積分時間，因此可通過適當調(diào)節(jié)電路參數(shù)，實現(xiàn)更寬范圍內(nèi)的動態(tài)檢測。

圖5 入射光頻率的輸出特性Fig．5 Output characteristics under different incident light frequencies

為進一步研究電路的輸出特性，在固定入射光功率（0．5nW）的條件下，測量了2種光電二極管（PN型和PIN型）作為光電轉換器件時電路輸出隨入射光頻率變化的特性，其結果如圖5所示。結果表明，PN型光電二極管作為光電轉換器件時，其靈敏度比PIN光電二極管高，因此，在入射光頻率低于20Hz時，其輸出值較大。但隨入射光頻率的增加，輸出近似線性下降（頻率由10Hz增至50Hz時，輸出值下降了約90%）。PIN型光電二極管作為光電轉換器件時，在頻率由10Hz增至40Hz時，輸出下降了約50%；而在輸入光頻率40Hz～50Hz范圍，輸出基本沒有變化。這主要是由于光電流的建立需要時間，PN型光電二極管的結電容較大，隨著入射光頻率增加光電流的建立時間變短，信號輸出減?。欢鳳IN型光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，結電容較小增加了響應速度。

為驗證電路的實用性，在入射光功率0．5nW與入射頻率10Hz的條件下，分別利用2種光電二極管作為光電轉換器件，測量了發(fā)光二極管的發(fā)光光譜，其測量結果如圖6所示。測量結果表明，2種光電二極管檢測到的光譜與實際光譜基本一致，具有相同的峰值波長。但由于2種光電二極管的光譜響應靈敏度有所不同，測量到的紅色LED光譜圖略有差異，如果對輸出進行光譜矯正，可能會有更好的結果。

圖6 紅色發(fā)光二極管光譜圖Fig．6 Red LED spectrum

3 結束語

本文利用對數(shù)積分放大的原理設計制作了一種微弱光信號檢測電路。利用2種不同特性的硅光電二極管對電路的入射光功率及頻率輸出特性進行了測量和分析，電路輸出波形顯示，電路對高頻噪聲具有良好的降噪能力。對發(fā)光二極管發(fā)光光譜的實際測量與對比的結果表明，輸出結果與參考光譜基本一致，在實際的弱光檢測中達到較理想的效果。在實際制作及測量過程中，為使電路系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有良好的降噪能力，可以通過光纖等引入光信號以避免工頻干擾，使電路達到理想的效果。

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