光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與研究

肖玲 李永明

摘 要： 光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種光學(xué)物理量的檢測(cè)與測(cè)量，當(dāng)應(yīng)用于惡劣的環(huán)境中，待測(cè)的光信號(hào)易受到外界的干擾，信號(hào)強(qiáng)度較弱時(shí)，設(shè)備要想提取準(zhǔn)確完整的信號(hào)時(shí)，要求對(duì)檢測(cè)電路提出更高的要求，如何將微弱信號(hào)從噪聲中提取、恢復(fù)和增強(qiáng)成為光電檢測(cè)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞： 光電轉(zhuǎn)化;放大電路

光電檢測(cè)設(shè)備的核心技術(shù)包括：光電轉(zhuǎn)化技術(shù)、光信息提取與測(cè)量以及電信號(hào)的處理技術(shù)。

本文將著重介紹光電轉(zhuǎn)化技術(shù)模塊中光信號(hào)的檢測(cè)與放大的電路設(shè)計(jì)，用于微弱信號(hào)的提取檢測(cè)與放大。

1 光電檢測(cè)器

光電檢測(cè)器能夠檢測(cè)出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：在工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度、響應(yīng)速度足夠夠快、線性良好與噪聲較低。目前常用的檢測(cè)器主要有兩種：pin型光電二極管和APD雪崩型光電二極管。

2 前端放大電路

當(dāng)入射光照射到光電二極管上會(huì)產(chǎn)生與入射光量成比例的電流，跨阻放大器作為光電轉(zhuǎn)化的前端放大器其工作原理如下圖所示，理論上光電二極管產(chǎn)生的電流Id都要經(jīng)過(guò)圖中的反饋電阻RF，輸出電壓VOUT=Id×RF，雖然電路原理簡(jiǎn)單，但若使系統(tǒng)具備最佳的性能在選擇跨阻放大器時(shí)重點(diǎn)考慮以下參數(shù)。

低輸入失調(diào)電壓：在光電檢測(cè)前端電路中，因系統(tǒng)所用光電二極管并不是理想器件，在無(wú)光的情況下會(huì)有少量電流輸出（暗電流），而運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓會(huì)使得光電二極管輸出更多的暗電流，導(dǎo)致光電檢測(cè)系統(tǒng)的失調(diào)誤差增大，同時(shí)會(huì)縮小檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。所以針對(duì)光電檢測(cè)的前端電路應(yīng)用，選擇輸入失調(diào)電壓越低越好。

低輸入偏置電流：光電二極管輸出電流進(jìn)入運(yùn)算放大器輸入端或反饋電阻之外的其它地方都會(huì)產(chǎn)生誤差，而零輸入偏置電流的運(yùn)算放大器時(shí)不存在的，所以選擇一款低輸入偏置電流的放大器對(duì)于減小系統(tǒng)誤差很關(guān)鍵。

此外對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)應(yīng)用中還要注意增益帶寬的選擇，因小信號(hào)的采集需要更高的增益，而過(guò)高的增益會(huì)可能會(huì)引起輸出信號(hào)的振蕩，所以在保證信號(hào)穩(wěn)定的前提下需要在反饋電路中增加電容以補(bǔ)償，但補(bǔ)償電路的增加所帶來(lái)的直接后果就是帶寬的減小從而引起輸出信號(hào)的失真，所以在具體的應(yīng)用中要注意帶寬與增益的平衡折中選擇。

3 二級(jí)放大電路

前級(jí)電路實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換所以二級(jí)電路則主要專注于電壓放大這一具體任務(wù)，所以我們?cè)谶x擇二級(jí)放大器時(shí)除了要關(guān)注上文提到的低失調(diào)電壓、低偏置電流外還要注意共模抑制比、噪聲系數(shù)以及溫漂參數(shù)的選擇。

如右圖所示：二級(jí)放大電路選擇單端輸入模式，按照一定倍數(shù)放大前端輸出信號(hào)與基準(zhǔn)GND之間的電壓差，RF2、FG2組成的電阻網(wǎng)絡(luò)作為二級(jí)放大電路所需的增益值。因單端輸入模式的選擇使得當(dāng)前端信號(hào)出現(xiàn)很小的干擾時(shí)，二級(jí)輸出電壓值也會(huì)出現(xiàn)更大的變化，而選擇較低的共模抑制比便可以改善這種問題。

隨著運(yùn)算放大器工作時(shí)間的增加其溫度會(huì)緩慢升高，而偏置電流、失調(diào)電壓以及噪聲等會(huì)隨著溫度的升高而增大，導(dǎo)致放大器輸出端發(fā)生更大的變化，所以選擇一款低溫漂的放大器對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定很重要。

4 電源濾波及布局走線

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中除了選擇性能參數(shù)合適的放大器之外，還應(yīng)注意對(duì)信號(hào)測(cè)量能夠產(chǎn)生影響的其他因素，如電源紋波干擾，電磁輻射與干擾等，所以需要設(shè)計(jì)人員通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減小外部因素對(duì)放大電路中信號(hào)提取與測(cè)量的干擾。

首先在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中增加濾波電路，降低通帶外部的干擾，改善通帶內(nèi)的信號(hào)質(zhì)量。

其次采用集成電源模塊可以增加電路電源的穩(wěn)定性，且外部所需很少的器件便可實(shí)現(xiàn)電源紋波的濾波去耦，對(duì)于電路中微弱信號(hào)的檢測(cè)有顯著的優(yōu)勢(shì);最后良好的布局布線與接地設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)屏蔽效果減弱外部因素對(duì)信號(hào)檢測(cè)的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

光電檢測(cè)放大電路是精密光學(xué)檢測(cè)與測(cè)量系統(tǒng)的重要構(gòu)建模塊，如何選擇正確的運(yùn)算放大器是系統(tǒng)獲得最佳性能的第一步，本文只是簡(jiǎn)單介紹光信號(hào)檢測(cè)中的一種電路，在實(shí)際的應(yīng)用中還應(yīng)注意器件與器件之間的匹配連接，以及電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔有效，才能使檢測(cè)電路對(duì)復(fù)雜光信號(hào)進(jìn)行高效的處理。

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