微弱光信号检测电路的设计

       摘 要：从微弱光信号检测电路的设计方案入手， 论述了光电检测电路的基本工作原理， 给出了采用AD795KN为前置放大器来设计放大电路、 有源滤波电路以及主放大电路， 最终设计低噪声光电检测电路的一般原则。 实验表明， 基于本设计的检测电路可以有效测量微弱光信号， 适用于一般光信号和微弱光信号的检测需要。
      关键字：微弱光信号；光电检测；AD795KN；低噪声

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      引言
      光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术来对光学信号进行检测， 并进一步传递、 储存、 控制、 计算和显示。 其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号， 并进一步经过电路放大、 处理， 以达到电信号输出的目的。 微弱光信号的检测在许多领域都有应用， 检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，本文应用光电期刊发表论文检测技术来检测微弱光信号。该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、 稳定性好等优点。
       1 电路基本原理
       用光电二极管组成的光电检测电路硕士论文， 实际上是一个光→电流→电压的变换器。 首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号， 再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。 其基本电路如图1所示。

       假定运放为理想的运放， 其输入电阻和放大倍数都为无穷大， 则输出电压为U0=IPR。 理论上，系统的输出电压U0的值与输入电流IP成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。 而实际应用中， 由于要受到运放失调电压Vod与偏置电流Ib的影响， 其输出电压总要产生误差。 误差电压一般为：Ue=Vod (1+R/Rd) +IbR其中Rd为光电二极管的结电阻。 由此式中可以看出， 当运放的失调电压与偏置电流都较小时， 输出电压误差较小。 因此， 选择运放时， 应选择性能参数都符合要求的运放。 本设计选择AD795KN作为前置放大器。
      2 检测电路设计
     光电二极管所接收到的信号一般都非常微弱， 而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。 因此， 对这样的微弱信号一般都要先进行放大、 滤波， 然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。
       本检测系统由光电二极管、 前置放大电路、滤波电路、 主放大电路、 A/D转换电路， MCU控制和信号处理电路等组成， 其结构框图如图2所示。
       2.1 前置放大电路的设计
       光电探测器前级放大电路的设计通常从两方面着手： 一是设计合适的电路形式； 二是选择合适的运放。前置放大电路可采用两个运放来组成复合放大电路， 图3所示是其电路图， 它由一个内反馈电路与外反馈电路组成， 具有降低噪声带宽而不影响信号频带的特点。在外反馈电路基础上附加的内反馈路， 可用R3、 R4、 C3来控制U2A的增益响应特性。 在直流情况下， 该反馈可由C3断开， 此时放大器的开环增益是两个放大器开环增益的乘积。 合理地设置R4/R3的比值具有减小噪声带宽的功效。图3中， R2是为了补偿因R1过大所造成的直流误差， R2上的并联电容C2用于去除它上面的杂散噪声。 外反馈电阻R1上并联的电容C1为消振电容， 其作用是减小电路的通频带。选择放大器时， 除了考虑选用低噪声和低漂移的运放外， 还要选用高输入阻抗和低偏流的运放 。 本 设 计 选 择 AD795KN 作 为 前 置 放 大 器 ，AD795KN的主要性能如下：◇失调电压为25℃， 最大为250μV (K级)；◇失调电压漂移最大为3V/℃ (K级)；◇ 输入偏置电流在25℃时， 最大为1 pA (K级)；◇0.1-10Hz电压噪声为2.5uVp-p；◇1/f转折频率为12Hz；◇电压噪声在100Hz处为10nV/ 姨 Hz；◇电流噪声在100Hz处为0.6fA/ 姨 Hz；◇在±15V时的功耗为40mW；◇增益带宽乘积为1MHz；
      2.2 滤波电路的设计
      为使电路设计简洁并具有良好的信噪比， 设计时还应用带通滤波器对信号进行处理。 为了保证测量的精确性， 可在前置放大电路之后设计“压控电压源二阶带通滤波电路”， 其具体电路如图4所示， 以除去有用信号频带以外的噪声， 包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。 其中放大器可选用LM741C。若Up (s) 为同相比例运算电路的输入， 比例系数为：A觶 uf=U觶 oU觶 p=1+RR59 (1)那么， 当C4=C5=C， R5=R， R7=2R时， 电路的传递函数为：Au(s)=Auf(s·) sRC1+[3-Auf(s)]sRC+(sRC)2 (2)令中心频率f0= 12πRC ， 电压放大倍数为：A觶 uf= A觶 uf3-A觶 uf·1 +j 113-Auffff 0 - ff0f (3)那么当f=f0时， 其通带放大倍数为：A觶 up= A觶 uf3-A觶 uf =QA觶 uf (4)其通频带为：bw= (3-A觶 uf) f0= f0Q (5)式中， Q为品质因数， Q值越大， 随着频率的变化， 其增益衰减越快。 这是因为， 中心频率一定时， Q值越大， 所通过的频带越窄， 滤波器的选择性越好。
     2.3 主放大电路
     由于所检测对象本身为微弱量， 因而所得到图3 前置放大电路图4 滤波电路设计的电量自然是小信号， 一般不能直接用于采样处理。 本设计的前置放大电路主要起到电流转电压的作用。 由于经过其放大过的信号还不能满足采样电压要求， 因此还需应用主放大电路。 其主放大电路如图5所示。 其中放大器选用LM308。该放大器的放大倍数为A=1+R12/R11， 其中R12为反馈电阻， R10=R11R12/(R11+R12)。
     3 低噪声光电检测电路的设计原则
     设计低噪声光电检测电路时， 一般应遵循以下几项原则：
     (1) 光电检测期刊发表论文电路采用电流放大型时， 光电二极管应采用无偏压的工作方式， 这样可减小光电二极管的暗电流， 提高检测精度；
     (2) 电路的反馈电阻在满足通频带宽度和输出信号范围的情况下应尽可能大， 这样会增大输出信噪比， 同时也提高了电路的信号放大倍数；
     (3) 选用前置放大器时， 应选用超低偏置电的运放， 以提高检测的灵敏度和精度。 当反馈电阻较大时， 偏流会在反馈电阻上产生偏移电压， 这样会给检测带入误差；
     (4) 电路的工作环境温度越小， 输出的信噪比越大。 所以， 应尽可能使检测电路在较低的温度环境下工作。
     (5) 为了减小系统的外部噪声， 光电检测电路必须用金属外壳来屏蔽外界电磁干扰， 同时外壳要接地。 另外， 摩擦电、 外界振动、 输入连接及输入电缆等都会引起误差和漂移， 故要尽可能严格的连接， 避免电缆的振动。 优质的低噪声或地渗露电缆可以缩减泄露电流， 并尽可能缩短输入连接线路的高度。
      4 结束语
      本文针对微弱光信号设计了光电检测电路，并给出了设计低噪声光电检测电路的一般原则。因此所设计的电路比较稳定， 精度高， 可以有效地测量微弱光信号。 该系统不但适用于微弱光信号的检测， 同时适用于一般光信号的测量。

参考文献
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