微弱光電信號檢測電路設(shè)計(jì)及性能分析

郭　濤，王　超，魏明明（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

微弱光電信號檢測電路設(shè)計(jì)及性能分析

郭濤1，2*，王超1，2，魏明明1，2
（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

針對微弱光檢測技術(shù)的應(yīng)用，介紹了一種光電檢測電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析了每一部分電路的工作原理，并將其與傳統(tǒng)電路作了對比，突出了設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。此外，用PSpice軟件對電路進(jìn)行了全面仿真，闡明了影響電路性能的關(guān)鍵指標(biāo)和關(guān)鍵器件。最后對電路進(jìn)行了實(shí)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)拓寬了可檢光的動態(tài)范圍，光電轉(zhuǎn)換穩(wěn)定，且信噪比高。

微弱信號檢測；光電轉(zhuǎn)換；對數(shù)變換；PSpice仿真

對微弱光信號的檢測，在科學(xué)研究和軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［1］。微弱光檢測的難點(diǎn)在于光電探測器接收到的光信號和轉(zhuǎn)換后的電信號都很微弱，很容易淹沒在各種噪聲中［2］；而且微弱光的動態(tài)范圍比較大，光電檢測設(shè)備的量程不好控制［3］。因此，研發(fā)性能優(yōu)越的光電檢測設(shè)備，提高信噪比和拓寬設(shè)備可檢測光范圍尤為重要。設(shè)計(jì)以降低噪聲和拓寬微弱光光強(qiáng)測量范圍為目的，對傳統(tǒng)的光電探檢測電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對優(yōu)化后的電路進(jìn)行了測試。

1　光電檢測電路工作原理簡述

光電檢測電路是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的電路。一般由光電轉(zhuǎn)換、信號放大、濾波等部分組成［4］。圖1為典型的光電探測器工作原理圖。

圖1　光電探測器工作原理

光電二極管接受光信號后，將其轉(zhuǎn)換為光電流，光電流經(jīng)過前置放大電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號，從前置放大電路輸出的電壓信號經(jīng)過放大電路提高幅度［5］，然后經(jīng)過濾波電路進(jìn)行降噪提高信噪比［6］，以便后續(xù)采集電路采集［7］。

2　光電檢測電路優(yōu)化

2.1光電轉(zhuǎn)換電路的改進(jìn)

傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換電路多采用專用的集成器件，OPT301就是其中的一種，如圖2為集成器件OPT301的內(nèi)部電路組成。

圖2　OPT301內(nèi)部電路

可知，OPT301可以直接將輸入的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。利用這種集成器件的法的優(yōu)點(diǎn)是電路實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，且空間占用較小。但這種方法缺點(diǎn)也很明顯：缺乏靈活性，輸出電壓幅值較小，噪聲較大［8］。

設(shè)計(jì)采用的相對分立的元器件組成的光電轉(zhuǎn)換電路。圖3為電路的原理圖。

圖3　光電轉(zhuǎn)換電路

PIN光電二極管S1226-4BQ工作在光伏模式下，特點(diǎn)是：零偏置、幾乎無暗電流、低噪聲。運(yùn)放選用的是AD549，它具有極低輸入偏置電流和低輸入偏置電壓，1015Ω的共模輸入阻抗以及低噪聲低溫漂特性。此外，滑動變阻器R1為AD549前置放大器提供了偏置調(diào)零功能。圖4為光電轉(zhuǎn)換電路等效電路。

圖4　光電轉(zhuǎn)換電路的等效電路

分析可知，光電轉(zhuǎn)換電路的輸出為：式（1）中Isc為光電二極管在光照下產(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；Rs為光電二極管的內(nèi)阻。為了得到較高的輸出電壓和較低的噪聲，一般Rf比較大（幾百M(fèi)Ω甚至幾GΩ），與之并聯(lián)的電容Cf較?。ㄒ话氵x幾pF）。圖中的Vs表示輸入失調(diào)電壓，可以通過調(diào)節(jié)圖3中的R1將其消除。

2.2對數(shù)變換電路

為了方便數(shù)據(jù)采集，輸出電壓一般要控制在0～5V之間，由式（1）可知，輸出電壓U1與接收光的功率P成正比。因此若直接用線性放大電路，由于輸出電壓范圍控制在了5V以內(nèi)，會使得可檢測光的動態(tài)范圍會受到限制，也就是說光強(qiáng)稍微變大一點(diǎn)就可能使輸出電壓超過5V而無法檢測。為了改善這個不足，設(shè)計(jì)中增加了一級對數(shù)變換電路。

由電路知識可知，對數(shù)變換可以使信號在一定程度上實(shí)現(xiàn)壓縮［9］。因?yàn)檩敵鲂盘柵c輸入信號的對數(shù)成正比，這就可以確保在輸出信號范圍一定的情況下，允許輸入信號有更寬的動態(tài)范圍。圖5即為設(shè)計(jì)的對數(shù)變換電路。

圖5　對數(shù)變換電路

運(yùn)放用的是OP07，它是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極型運(yùn)放，同時(shí)具有較低的失調(diào)電壓漂移和高開環(huán)增益，特別適合微弱信號的處理。D1是為了防止當(dāng)U1為負(fù)U2為正時(shí)，造成三極管Q1的UBE反偏置而損壞。經(jīng)分析計(jì)算可得輸出電壓表達(dá)式如下［10］：

式中UT是電路隨溫度變化的因子，約等于26mV。Is為Q1發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。由式（2）可知，U2與U1的對數(shù)成線性關(guān)系，即在U2范圍固定的情況下，允許U1有更寬的范圍；而U1與輸入光的功率P成線性關(guān)系，所以拓寬了可檢測光的動態(tài)范圍。

3　電路性能分析

為了進(jìn)一步分析電路的性能，利用 OrCAD PSpice軟件對電路進(jìn)行了仿真分析。圖6為整體電路的PSpice仿真圖原理圖。為了仿真，必須先建立好各個器件的PSpice模型［11］。根據(jù)光電二極管S1226的微變等效電路，利用電流源I1，電阻Rs和電容Cs模擬其PSpice模型。AD549的PSpice模型是從ADI公司官網(wǎng)下載相關(guān)文件然后利用Model Editor軟件制作的。而OP07和其他器件的PSpice模型在軟件庫中可以找到。有了各個器件的PSpice模型后即可建立如圖6所示的PSpice仿真原理圖。

圖6　PSpice仿真原理圖

3.1前置放大電路的PSpice仿真

首先進(jìn)行前置放大電路的直流偏執(zhí)點(diǎn)分析，這部分分析的目的是為了找出對前置放大電路直流特性影響最大的元器件，其PSpice仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　直流偏執(zhí)點(diǎn)仿真結(jié)果

由結(jié)果可知：對輸出電壓U1影響最大的器件是反饋電阻Rf，這由式（1）也可推測到，因此Rf的選取很重要，盡量選取電器特性好的器件。設(shè)計(jì)中選擇的是低溫漂低噪聲的金屬膜電阻［12］，阻值100 MΩ。

電容 C1是影響電路的帶寬關(guān)鍵因素，利用PSpice軟件的參數(shù)掃描功能來輔助C1值的選取。設(shè)定C1的掃描范圍為0.8 pF～3.2 pF，掃描步長為0.4 pF。仿真結(jié)果如圖8。分析可知，放大器AD549在電容C1容值較小時(shí)會產(chǎn)生高頻響應(yīng)尖峰，而隨著電容C1的增大，響應(yīng)尖峰會下降，甚至消除。為了足夠的余量消除響應(yīng)尖峰，設(shè)計(jì)中C1的容值選擇為10 pF。

確定了Rf和C1的值后，前置放大電路的帶寬就隨之固定了。圖9是其仿真結(jié)果。可知其截止頻率為162Hz，與理論計(jì)算值相符。

圖8　頻域參數(shù)掃描圖

圖9　前置放大電路帶寬仿真圖

3.2對數(shù)變換電路的仿真驗(yàn)證

圖10為電路的直流掃描仿真圖，U1、U2、U3分別為圖6中前置放大電路的輸出電壓、經(jīng)過對數(shù)變換電路的電壓、經(jīng)過放大電路的最終輸出電壓。

圖10　電路直流掃描仿真圖

圖11是U2的局部放大的顯示結(jié)果。通過圖10和圖11可以看出，經(jīng)過對數(shù)變換電路，前置放大電路的輸出電壓U1被壓縮了，對數(shù)變換電路達(dá)到了預(yù)期的壓縮信號的功能。壓縮后的輸出電壓U2通過放大電路放大后達(dá)到了適合的幅值，即0～5 V。

圖11　輸出電壓U2直流掃描仿真圖

3.3電路噪聲仿真

光電檢測電路的輸出噪聲由以下幾個部分組成［13］：電阻的熱噪聲、運(yùn)放的電流噪聲、電壓噪聲及由光電二極管暗電流引入的噪聲?？偟脑肼暱杀硎緸?/p>

式中EnoR為電阻熱噪聲，Enoe為運(yùn)放電壓噪聲，Enoi為運(yùn)放的電流噪聲，EnoD為光電二級管噪聲。這些噪聲可以通過理論計(jì)算得出，但是過程非常復(fù)雜。而通過PSpice軟件的噪聲分析功能可以很快的分析出噪聲的特性。PSpice軟件分析電路噪聲的原理是將電路中各個器件引入的噪聲全部等效成激勵源引入的噪聲，然后仿真出這個等效輸入噪聲的大小和由它導(dǎo)致的輸出噪聲的大小。圖12為等效輸入電流噪聲頻譜曲線，圖13為電路的輸出噪聲頻譜曲線。

圖12　等效輸入電流噪聲頻譜曲線

圖13　電路輸出噪聲頻譜曲線

由圖12可知，輸入電流噪聲在高頻段增大速度明顯加快；同時(shí)由圖13可以看出，電路工作頻率超過60 Hz時(shí)，輸出噪聲增大速度也明顯加快。綜上可知，在滿足檢測信號帶寬的條件下，應(yīng)盡量降低電路的帶寬來降低輸出噪聲。

3.4電路實(shí)測

圖14是一次電路實(shí)測時(shí)輸出電壓的示波器截圖，可以看出信號輸出穩(wěn)定、平直。圖15是輸出電壓的交流分量，即電路的噪聲。對比圖14、圖15可知，電路輸出的有效信號為2.4 V，而輸出噪聲在5 mV以內(nèi)，表明該電路信噪比很高。

圖14　實(shí)測輸出電壓

圖15　電路輸出噪聲

4　結(jié)束語

提出了一種光電檢測電路的設(shè)計(jì)方案，并利用PSpice軟件對電路器進(jìn)行了仿真，優(yōu)化了器件參數(shù)。仿真和實(shí)測的結(jié)果表明，電路有較高的信噪比。文中用到電路設(shè)計(jì)方法和PSpice仿真方法對光電檢測技術(shù)的研究有一定的參考價(jià)值。

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郭濤（1971-），男，漢族，山西太原人，教授，碩士，現(xiàn)工作在中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向?yàn)閼T性測量系統(tǒng)、微器件的設(shè)計(jì)與制造，guotao6@nuc.edu.cn；

王超（1988-），男，漢族，黑龍江北安人，現(xiàn)就讀于中北大學(xué)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)及集成技術(shù)，781422693@qq.com。

Design of Weak Photoelectric Signal Detection Circuit and Performance Analysis

GUO Tao1，2*，WANG Chao1，2，WEI Mingming1，2
（1.Key Lab of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North Uniυersity of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，North Uniυersity ofChina，Taiyuan 030051，China）

For application on weak lightdetection，this article introduced an optimization design of photoelectric detection circuit.Itanalyzed theworking principleofall the partsof the circuit，compared the designwith the traditional circuitand highlighted theadvantage of the design.In addition，the performance of the circuitwassimulated based on PSpice software.According to the result，the key indicators and components that influenced the circuit performance were analyzed.Finally，the circuitwere verified.The resultsof the experiments show that this design allows the input signalhasawide dynamic rangeand ithasahigh signal tonoise ratio，stability of thephotoelectric conversion.

weak signaldetection；photoelectric conversion；logarithmic transformation；PSpice simulation

TP212；TN206

A

1005-9490（2016）04-0913-05

2015-09-01修改日期：2015-10-16

EEACC:7230；425010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.031