光伏式光電檢測(cè)電路圖（一）

光電檢測(cè)電路的基本構(gòu)成

光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，而且光探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中，因此，要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過(guò)前置放大電路、濾波電路和主放大電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。其光電檢測(cè)模塊的組成框圖如圖1所示。

光電二極管的工作模式

光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確的線(xiàn)性工作；而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線(xiàn)性。事實(shí)上，在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流（叫做暗電流或無(wú)照電流1。而在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時(shí)，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設(shè)計(jì)光電二極管電路的過(guò)程中，通常是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是對(duì)兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一般來(lái)說(shuō)，在光電精密測(cè)量中，被測(cè)信號(hào)都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設(shè)計(jì)由于所討論的待檢測(cè)信號(hào)也是十分微弱的信號(hào)，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以，設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏模式。

電路設(shè)計(jì)

主放大器設(shè)計(jì)

眾多需要檢瀏的微弱光信號(hào)通常都是通過(guò)各種傳感器來(lái)進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而使檢測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚娏骰螂妷海Ｓ捎谒鶞y(cè)對(duì)象本身為微弱量，同時(shí)受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號(hào)，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計(jì)中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，但后續(xù)電路一般為A／D轉(zhuǎn)換電路，所需電壓幅值一般為2 V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號(hào)一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應(yīng)用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。

濾波器設(shè)計(jì)

為使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔并具有良好的信噪比，設(shè)計(jì)時(shí)還需要用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。為保證測(cè)量的精確性，本設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內(nèi)的信號(hào)，而抑制該頻段以外的信號(hào)。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：B=f2-f1=f0/Q式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因?yàn)橹行念l率一定時(shí)，Q值越大，所通過(guò)的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。 有源濾波器是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運(yùn)算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對(duì)于無(wú)源濾波器的特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運(yùn)算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開(kāi)環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡(jiǎn)單而且性能優(yōu)良。本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源（VCVS）帶通濾波器，其濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源（VCVS）低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。

完整的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整電路如圖7所示。為方便表示，電路中的R2、R3即為前面等效電路模型中的RT、RF。前級(jí)部分由光電轉(zhuǎn)換二極管與前級(jí)放大器組成，這也是光電檢測(cè)電路的核心部分，其器件選用高性能低噪聲運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電路匹配并將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍的放大。然而，雖然前級(jí)放大倍數(shù)可以設(shè)計(jì)得很大，但由于反饋電阻會(huì)引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前級(jí)信號(hào)不能無(wú)限放大。

光伏式光電檢測(cè)電路圖（二）

雙光路光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，包括以下幾個(gè)部分，首先對(duì)光耦輸出的兩路光信號(hào)分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)光電探測(cè)器將光功率轉(zhuǎn)換為電流。然后經(jīng)過(guò)前置放大電路將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電壓形式。緊接著用帶通濾波器將轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)濾去干擾和噪聲以及二次放大。最后，將兩路信號(hào)進(jìn)行差分處理。其完整的檢測(cè)電路如圖2所示。

電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的核心部分。它將決定整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。常用的光電探測(cè)器件有光敏電阻、半導(dǎo)體光電管、光電池、真空光電管和光電倍增管、電荷耦合器件、光位置敏感器件等。

光纖傳感器中，一般采用半導(dǎo)體二極管光電探測(cè)器其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率高，頻帶寬，可達(dá)10GHz．以CO氣體檢測(cè)為例，其在近紅外光譜吸收的波長(zhǎng)在1．567“m附近，因此選用InGaAsP材料的PIN光電二極管。型號(hào)為YSPD718，其響應(yīng)度0．96A／W，暗電流《1．0nA．

光電二極管一般有2種模式工作：光伏模式和光導(dǎo)模式。該設(shè)計(jì)待檢測(cè)信號(hào)十分微弱，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，為了消除暗電流的影響，設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏模式。

置放大電路設(shè)計(jì)

光電探測(cè)器件緊密連接一個(gè)低噪聲前置放大器，它的任務(wù)是：放大光電探測(cè)器件所輸出的微弱電信號(hào)；匹配后置處理電路與探測(cè)器件之間的阻抗。對(duì)前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線(xiàn)性和抗干擾能力。根據(jù)以上要求以及綜合各方面的因素考慮，最后選定運(yùn)放OPAl29UB搭建前置放大電路。其輸入偏置電流≤100fA，輸入失調(diào)電壓≤2mV，輸入失調(diào)電壓溫漂≤10斗V／℃，噪聲電壓≤15nV／／Hz（10kHz時(shí)）。

對(duì)于具有恒流源特性的光電探測(cè)器，采用高阻負(fù)載將有利于獲得大的信號(hào)電壓，故希望采用高阻放大器。但高負(fù)載電阻與探測(cè)器分布電容和放大器輸入電容將增加RC時(shí)間常量，影響系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，并使其動(dòng)態(tài)范圍減小，通常采用跨阻放大器或并聯(lián)反饋放大器克服這一缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用的跨阻放大器的結(jié)構(gòu)框圖可以用圖3表示。由基本放大器和一個(gè)跨接在輸入輸出端之間的電阻構(gòu)成。這種放大器利用電阻兄提供電壓并聯(lián)負(fù)反饋，減小了放大器的輸入阻抗，增加了帶寬。其輸出電壓與輸入光功率的關(guān)系為

帶通濾波電路設(shè)計(jì)

為保證測(cè)量的精確性并具有良好的信噪比，該設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加入二階帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪聲。

圖4所示的二階帶通濾波器是～種二階壓控電壓源（VCVS）帶通濾波器，由低通濾波器和高通濾波器串接組成哺】。濾波電路中的放大器選用OP297EZ，其輸入偏置電壓≤50mV，輸入失調(diào)電流《100pA，輸入失調(diào)電壓溫漂≤O．6mV／oC．

在選用元件時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮由于元件參數(shù)值誤差對(duì)傳遞函數(shù)存在影響?，F(xiàn)在規(guī)定選擇電阻值的容差為l％，電容值的容差為5％。在運(yùn)放電路中的電阻不宜選擇過(guò)大或過(guò)小。一般為幾k歐一幾十k歐。因此，選擇低通級(jí)電路的電容值為103pF，高通級(jí)電路的電容值為0．1uF．

對(duì)于第一部分，即低通濾波器，系統(tǒng)要求的低通截止頻率為，fH=10kHz，同時(shí)C=10^3pF，根據(jù)公式∞=1／RC計(jì)算，并選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值R11=16k11．對(duì)于第二部分高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為^=100Hz，做同樣的計(jì)算可以求得R17=R18=18k歐．為了使阻抗匹配，現(xiàn)選擇R13=16k歐，R20=16kft，最后根據(jù)濾波器的放大倍數(shù)可以算出R14=16k歐，R19=16k歐．

差分放大電路設(shè)計(jì)

為了更好地抑制共模干擾，減小背景光輻射等外部干擾對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，必須對(duì)放大濾波之后的信號(hào)進(jìn)行差分處理。

但是由于光路與電路的硬件時(shí)間延遲以及閉環(huán)系統(tǒng)相頻特性等因素都會(huì)引起相位差。為了使兩路輸出信號(hào)在相位上保持一致，在濾波后差分前引入了RC移向環(huán)節(jié)，其完整的電路如圖5所示，電容C25，C29和電阻R25，R26構(gòu)成一組RC移向電路，同理，在另一光路中電容C26，C30和電阻R27，R28構(gòu)成另一組RC移向電路。兩路信號(hào)在移向后幅度和相位都保持一致，然后對(duì)其進(jìn)行差分處理。綜合各方面的因素考慮，最后選用INAll4作為差分放大器。其輸入偏置電流≤2nA，輸入失調(diào)電壓≤50IzV，輸入失調(diào)電壓溫漂≤0．25uV／.C，共模抑制比高達(dá)115dBmin．而且INAll4只需一個(gè)外部電阻就可設(shè)置l一10030之間的任意增益值，從而使得輸出與后續(xù)信號(hào)處理電路想匹配的電壓信號(hào)。其輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為

光伏式光電檢測(cè)電路圖（三）

下圖的檢測(cè)電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率。在檢測(cè)弱光信號(hào)時(shí)，RF為提高增益，RF的取值應(yīng)選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調(diào)電壓VB對(duì)輸出電壓的影響分別為IBRF和，Rs為光電二極管內(nèi)阻?？梢钥闯?，減小RF可以減少以上影響，但同時(shí)會(huì)減小電路的增益。解決這個(gè)問(wèn)題需選擇偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運(yùn)算放大器。這里選用0PAlll型高精度運(yùn)算放大器，其偏置電流約為0.8 pA，輸入失調(diào)電壓約100μV。經(jīng)過(guò)計(jì)算，RF的值取在幾百M(fèi)Ω范圍內(nèi)時(shí)，上述影響可以近似忽略，能夠滿(mǎn)足電路的要求。

光伏式光電檢測(cè)電路圖（四）

圖為光電檢測(cè)電路。該檢測(cè)電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率。在檢測(cè)弱光信號(hào)時(shí)，RF為提高增益，RF的取值應(yīng)選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調(diào)電壓VB對(duì)輸出電壓的影響分別為IBRF和

Rs為光電二極管內(nèi)阻。可以看出，減小RF可以減少以上影響，但同時(shí)會(huì)減小電路的增益。解決這個(gè)問(wèn)題需選擇偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運(yùn)算放大器。這里選用0PAlll型高精度運(yùn)算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調(diào)電壓約100μV。經(jīng)過(guò)計(jì)算，RF的值取在幾百M(fèi)Ω范圍內(nèi)時(shí)，上述影響可以近似忽略，能夠滿(mǎn)足電路的要求。