用于光離子化檢測器的微弱電流檢測電路設(shè)計

鄭培超，李 海，朱思蒙，鄭昆朋，顏勃汶，張秦望，劉一帆，王禮陽，王金梅

(重慶郵電大學光電工程學院，光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

光離子化檢測技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種快速檢測揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds，VOCs)的方法，它利用真空紫外燈產(chǎn)生的高能量紫外線輻射對電離室的VOCs氣體分子進行轟擊并使其電離，在電極板間產(chǎn)生帶正電的離子和帶負電的電子，產(chǎn)生的電子和離子在高壓電場的作用下定向移動，從而在極板間產(chǎn)生微弱電流信號［1］。氣體的濃度越高，電離產(chǎn)生的正負粒子越多，極板間電流越大，所以通過檢測產(chǎn)生的微弱電流信號，就可以獲得進入電離室的揮發(fā)性有機物濃度。

根據(jù)光離子化技術(shù)的原理，電離后VOCs離子在電場的加速下轉(zhuǎn)換為電流信號，由于該電流信號非常微弱，一般為pA量級，需要對其進行放大處理。而對于微弱電流信號的放大電路，尤其是在I－V轉(zhuǎn)換部分，為了材料選型方便，通過較小的阻值獲得較高的靈敏度，常采用 T型網(wǎng)絡(luò)電阻代替超高阻［2－5］。然而這樣的設(shè)計將會產(chǎn)生更大的輸出噪聲，整個電路得不到良好的信噪比。本文設(shè)計出一種高信噪比、低功耗，適合電池供電的便攜式設(shè)備的微弱信號檢測電路。通過理論分析與模擬仿真相結(jié)合的方法對反饋電阻、反饋電容以及不同結(jié)構(gòu)的前置放大電路輸出端噪聲特性進行對比分析，設(shè)計出信噪比更高、受共模信號干擾更小的前置放大電路。為了使整個系統(tǒng)搭載在便攜式的設(shè)備上，本文對濾波、次級電壓放大、運放雙極性電源等部分電路設(shè)計進行詳細分析。

1 微弱信號檢測電路設(shè)計

本文所設(shè)計的用于光離子化檢測器的微電流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括前置放大電路、后級電壓信號處理電路和運放雙極性電源電路。紫外燈光電離時產(chǎn)生的微弱電流信號經(jīng)過前置放大電路進行I/V轉(zhuǎn)換，得到較大的電壓信號，然后通過后級電壓信號處理電路進行濾波和次級電壓放大，得到更容易被示波器或MCU等微處理器采集的電壓信號。運放雙極性電源電路將9 V電源電壓轉(zhuǎn)換為±4.5 V的電壓信號，對整個檢測電路運放進行供電。

圖1 檢測電路設(shè)計框圖

1.1 前置放大電路的設(shè)計

噪聲是微弱信號放大中最為關(guān)心的問題，而對于微弱信號的檢測，通常需要多級放大電路級聯(lián)。在所有多級放大電路級聯(lián)的放大系統(tǒng)中，設(shè)各級放大器的噪聲系數(shù)分別為F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)M，對應的功率增益分別為K1，K2，…，KM，則整個系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)F為

式(1)即為弗里斯公式［6］。

式(1)說明，級聯(lián)放大電路中各級放大電路的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的影響是不同的，越是前級的影響越大。所以，對于前置放大電路部分的噪聲控制則顯得至關(guān)重要。而在電路設(shè)計中，電路的結(jié)構(gòu)、運放的失調(diào)電壓Vos、溫漂、偏置電流Ib、輸入輸出阻抗等因素都會影響整個系統(tǒng)的噪聲，所以在運放、反饋電阻、反饋電容、電路結(jié)構(gòu)等重要部分的選擇需要注意很多問題。

1.1.1 I/V轉(zhuǎn)換電路中反饋電阻的選擇

由于在電離室中電離VOCs產(chǎn)生的電流信號十分微弱，需要盡可能地提高增益，使得輸出的電壓信號達到測量值。然而根據(jù)電阻的熱噪聲公式［7］:

式中:NV為電阻熱噪聲電壓有效值，V;Kb為玻爾茲曼常數(shù)，Kb=1.38×10－23J/K;T 為溫度，K;R 為電阻，Ω;B為等效噪聲帶寬，Hz。

可見，電壓噪聲公式中噪聲電壓的平方與電阻成正比，即電阻的阻值越大，帶來的電壓的噪聲也就越高。但是，電阻的噪聲還有一個在電流方面的表達，其公式為［8］

式中NI為噪聲電流，A。

由式(3)可以看出噪聲電流的平方是與電阻成反比的［9］。而這里需要檢測的信號是微電流，所以需要盡可能地加大反饋電阻，即使這樣電壓噪聲很大，但是除以超大反饋電阻也是很小的電流噪聲了。

1.1.2 I－V 轉(zhuǎn)換中反饋電容的選取

光電離傳感器除有極板電容外，極板與周圍體(各種元件甚至人體)也產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種電容稱為寄生電容，將會引起相位滯后，容易振蕩［10］。為了模擬寄生電容對輸出信號的影響，通過TINA－9軟件對其進行模擬仿真，如圖2所示，在輸入端加入了一個容值為5 pF的電容Cin，為了更清晰地看到效果，反饋電阻R2取1 MΩ。

圖2 模擬寄生電容電路圖

圖3 給出了不同Cf電容值時的增益頻率變化特性，由圖3可以看出，反饋電阻Rf和寄生電容Cin引起的相位滯后加在運放LMC6062的相位滯后上，在高頻范圍產(chǎn)生了凸峰，需要對其進行相位補償。同時，Cf電容值變大時，曲線變得更加平滑。因此，為了消除振蕩，補償電容Cf應足夠的大，通常根據(jù)Cin＜Cf來選擇Cf的值。但是電容Cf也不宜過大，否則將會使得響應變慢。

圖3 補償電容Cf的大小對輸出電壓的增益頻率特性的影響

1.1.3 電路結(jié)構(gòu)的選擇

選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，對于提高檢測電路的信噪比十分重要。本文采用TINA－9電路仿真軟件對T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、跨阻式I－V轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)輸出噪聲進行仿真比較。輸入端分別加入1nA/1 Hz的低頻電流信號，仿真輸出端的電壓噪聲密度，具體如圖4、圖5所示。通過兩種不同反饋結(jié)構(gòu)的前置放大電路及其輸出電壓噪聲密度曲線的比較(噪聲密度單位為發(fā)現(xiàn)采用T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的I－V轉(zhuǎn)換電路得到的噪聲更高，與跨阻I－V轉(zhuǎn)換電路相比，高了接近R1/(R3+1)倍。同時在使用較小電阻的T型網(wǎng)絡(luò)電阻時，根據(jù)式(2)，計算得到的單個電阻值所產(chǎn)生的電流噪聲也是較大。因此，不管是從性能還是電路復雜程度方面考慮，T型網(wǎng)絡(luò)電阻的前置電路結(jié)構(gòu)都不可取。

考慮到T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前置放大電路輸出噪聲較大，于是設(shè)計了高反饋電阻的跨阻式I－V轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)。在電路工作過程中，無論溫度變化，還是電源電壓的波動都會引起前置放大電路中運放的偏置電流及失調(diào)電壓的變化，其效果相當于在輸入端加入了一個共模信號，單純的跨阻式結(jié)構(gòu)的前置電路容易受到共模信號的干擾，而差分電路結(jié)構(gòu)對共模信號有極強的抑制作用［11］。因此，對跨阻式I－V轉(zhuǎn)換電路進行改進，設(shè)計了差分輸入前置放大電路，如圖6所示。

在設(shè)計PCB板時，只要通過對稱的布局布線，便基本可保證前置放大電路輸出端電壓不受外界溫度等環(huán)境變化影響，更易于滿足在惡劣環(huán)境中實時檢測的需求。此電路采用了運算放大器LMC6062，其內(nèi)部集成的2個精密運放設(shè)計了2個完全對稱的跨阻式放大電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)過2個反饋電阻后，2個精密運放的輸出端差分電壓接入由運算放大器ICL7650構(gòu)成的差分輸入運算放大電路。其輸出端電壓Vout與輸入電流In滿足:

圖4 跨阻I－V轉(zhuǎn)換電路及輸出電壓噪聲密度

圖5 T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)I－V轉(zhuǎn)換電路及輸出電壓噪聲密度

圖6 改進后的前置放大電路

LMC6062是一款超低功耗低輸入偏置電流的CMOS型運算放大器，其輸入失調(diào)電壓Vos也很低，典型值為100 μV，最大為1 200 μV，輸入失調(diào)電壓平均漂移 TCVos為1.0 μV/℃，輸入偏置電流 Ib僅為10 fA，同時具有超高的輸入阻抗，所以適用于微弱電流信號的前置放大器。LMC6062功耗非常低，當供電電壓為(5 V，0 V)時，其消耗電流僅32 μA。這對于手持式的光離子化檢測器的續(xù)航能力有所提升。這款運放常應用于光電二極管和紅外探測器前置放大器、傳感放大器、手持式分析儀器的放大電路中。而在差分放大電路中選擇了同樣低噪聲低輸入偏置電流的CMOS工藝運算放大器ICL7650，相較于LMC6062，ICL7650具有更低的輸入失調(diào)電壓平均漂移，而且擁有更大的共模抑制比，適合用于差分輸入放大電路中［12］。圖6中R5、R6為反饋電阻，C7、C8分別并聯(lián)在 R5和 R6的兩端，防止產(chǎn)生自激振蕩;C1、C2、C3、C4皆為去耦電容，能夠防止電源噪聲對電路產(chǎn)生干擾;R7、R8是為了防止誤電壓加入產(chǎn)生電涌使運放損壞。

1.2 后級電壓信號處理電路的設(shè)計

本系統(tǒng)所采用紫外燈驅(qū)動電源為射頻(radio frequency，RF)電源，整個微弱信號檢測部分極易受到外界的干擾，尤其是紫外燈RF驅(qū)動電壓的影響。為了減小這種干擾，除了需要增加金屬屏蔽外殼外，還需要增加濾波電路將噪聲信號濾除掉?？紤]到本實驗的信號接近直流，所以需要采用低通濾波器。為了獲得更好的帶負載的能力，選擇了有源低通濾波器。一階有源低通濾波器在截止頻率后的增益衰減速度為20dB/十倍頻，階數(shù)越高，其衰減速度越快［13］。本次實驗中選用的運放是OP07CP。這是一款低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路芯片。OP07CP具有非常低的輸入失調(diào)電壓，其典型值為60 μV，所以它在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施，同時OP07CP還具有輸入偏置電流極低(Ib=±2.2 nA)，開環(huán)增益高，輸入阻抗高的特性，很適合應用于傳感器微弱信號的放大，以及一些精密的濾波電路中。如圖7設(shè)計了一種具有Butterworth特性的Sally-Key型二階有源低通濾波電路，增益為1。

圖7 二階有源低通濾波電路

根據(jù)Butterworth的歸一化表確定Q值，同時由于光離子化傳感器產(chǎn)生的微弱電流接近直流，所以將低通濾波器的截止頻率設(shè)置盡可能的低，本次實驗將其設(shè)為15 Hz左右，假設(shè)電阻R9=R10=Rf，根據(jù)式(5)～(7)可以分別求得2個濾波電容的值，再根據(jù)實際電路中電容標稱值選取接近所求值的電容［14］。

圖8為加濾波電路前后輸出端的信號對比圖，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)在沒有加濾波電路時，由于紫外燈驅(qū)動電源產(chǎn)生的射頻干擾，輸出端信號的峰值已經(jīng)達到運放電源電壓，這樣是沒法準確地檢測到輸出信號的強度變化的。而在加入濾波電路后，輸出信號的波形改善了許多。

由于經(jīng)過I－V轉(zhuǎn)換后的電壓信號依然很小，所以為了提高光離子化檢測器的靈敏度，需要再設(shè)計一款次級放大電路，將電壓信號進一步放大。

AD706是一款低噪聲、低功耗的具有超低輸入偏置電流的雙極型運算放大器，AD706內(nèi)部同樣集成了兩個獨立的高性能的運算放大器，如圖9所示，利用AD706設(shè)計了次級電壓信號放大電路。將其內(nèi)部的一個運放用作電壓跟隨器，電壓跟隨器作為中間級，以“隔離”前后級之間的影響，對信號進行緩沖;AD706中的另一運放則用于電壓信號的放大，放大倍數(shù)由R12/R11決定;同時用于將負電壓取反，以便于后期單片機等微處理器采集。R13為運算放大器的平衡電阻，是用來平衡運放的兩個輸入端子的失調(diào)電流的，使得兩個端子的電壓平衡，其值約為R11與R12并聯(lián)后的總電阻。

圖8 加濾波電路前后輸出端信號對比圖

圖9 次級電壓信號放大電路

2 運放雙極性電源電路的設(shè)計

由于此次設(shè)計的光離子化檢測器是一種便攜式設(shè)備，設(shè)備由9 V的可充電鋰電池供電，而對于小信號的放大電路常常需要雙極性電源供電，比如此次設(shè)計的放大電路中使用的運放都是需要雙極性供電的。因此，需要設(shè)計一種將輸入的單極性電源變成具有正、負電壓輸出的雙極性電源。由于放大電路中所用到的4塊運放都能滿足±4.5 V供電，因此可以設(shè)計出如圖10所示的9 V轉(zhuǎn)±4.5 V的雙極性電源電路。

對于一個運放來說，正負電源的反接很容易造成運放損壞，所以需要加上一個如圖10所示的二極管D1。相較于普通的二極管，肖特基二極管具有更小的導通壓降，所以這里選擇了肖特基二極管1N5817。這里通過2個大電阻分壓是為了減小功耗，而使用運放LM358則是利用其具有超高輸入阻抗的特點。為了使輸出端帶負載能力更強，利用2個三極管搭建一個“圖騰柱”式的電路，同時將Q1、Q2的發(fā)射極電壓反饋到LM358的負相端，從而使發(fā)射極電壓穩(wěn)定在輸入電壓的一半。

圖10 運放雙極性電源電路

3 實驗結(jié)果

在將整個檢測電路應用與光離子化檢測系統(tǒng)中時，首先搭建了如圖11所示的由干電池和電阻所組成的微電流源。通過吉利時6485型皮安表的輔助，測試了在不同電流下的輸出電壓值，記錄下測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制出如圖12所示的關(guān)系圖。從圖12中擬合的曲線可以看出，輸出電壓隨著輸入電流的增大而增大，線性度良好。說明所設(shè)計的微電流檢測電路能夠較好地用于微電流檢測。

圖11 微電流產(chǎn)生電路圖

圖12 檢測電路初步測試結(jié)果

為了得到不同濃度氣體對所產(chǎn)生信號的影響，于是在保持氣體流速相同且極板偏置電壓為200 V下，對不同濃度的異丁烯氣體進行檢測，測量次級電壓信號放大電路的輸出端電壓，可以獲得異丁烯氣體濃度與輸出端電壓信號的關(guān)系圖，結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出，氣體濃度在0～178.5 ppm內(nèi)與輸出的電壓信號成線性關(guān)系，氣體濃度越高，輸出的電壓信號越大。此次實驗的線性擬合度比較高，R2=0.983，同時測得整個系統(tǒng)的響應時間為 5～10 s，靈敏度為11.38 mV/ppm。

圖13 異丁烯氣體濃度與輸出電壓的關(guān)系曲線

為了驗證該光離子化檢測系統(tǒng)不僅可以檢測異丁烯，對其他揮發(fā)性氣體也有響應，于是利用純度為99.999%的氮氣分別將揮發(fā)一段時間的酒精和丙酮沖入電離室，測試輸出端電壓信號，得到如表1所示的實驗結(jié)果。

表1 檢測系統(tǒng)對不同氣體的響應 mV

由表1可以看出，當?shù)獨鈱]發(fā)出的乙醇或丙酮氣體沖入到電離室中后，輸出信號電壓突然變大，說明乙醇和丙酮確實被電離了，該系統(tǒng)能夠推廣用于檢測其他揮發(fā)性有機物。

4 結(jié)束語

本文通過分析微電流前置放大電路反饋電阻的結(jié)構(gòu)、反饋電容的大小、電路結(jié)構(gòu)以及整個檢測電路的抗干擾等因素，設(shè)計了輸出噪聲低且能夠很好地抑制共模干擾的微電流檢測電路。為了便攜，設(shè)計了9 V轉(zhuǎn)±4.5 V的雙極性電源電路以使整個檢測電路可以用9 V可充電鋰電池供電。通過將所設(shè)計檢測電路應用于光離子化檢測系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，輸出電壓信號與異丁烯氣體濃度成良好的線性關(guān)系，擬合度達到0.983。同時，通過通入酒精和丙酮的揮發(fā)物發(fā)現(xiàn)，該檢測系統(tǒng)可以推廣到其他揮發(fā)性有機物的檢測。