对数放大器在弱光检测中的应用

2010-03-13梅欣丽李常青

电子设计工程 2010年5期

梅欣丽，李常青

（1．郑州大学信息工程学院，河南郑州 4 50001；2．新乡学院物理系，河南新乡453000）

弱光检测通常是先将光信号通过光电器件转换成电信号，再经前置放大电路放大后，由A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号进行分析处理。弱光检测技术广泛应用于现代通信、医疗和科研等领域。弱光检测电路一个重要性能指标是对噪声的滤除能力，但在弱光检测时，光信号与噪声几乎处于同一数量级，信号很容易淹没在噪声中，不利于后续电路处理。传统方法是采用电路级联来滤除干扰，放大信号；但这种电路需用精密电阻，且设计复杂，电路体积大，可靠性差。随着集成对数放大电路的发展，其宽动态范围、高精确输出的显著特点，光检测电路也得到不断发展与完善，对数电路具有优异的数据压缩性能，可将很宽的输入动态范围信号压缩在很窄的电压范围内[1－2]。因此，这里提出一种以LOG100[3]作为前置放大的弱光检测电路设计方案。

1 电路设计与分析

1.1 光电转换电路[3]

图1为光电检测电路。该检测电路是由放大器A，反馈电阻RF和CF组成，其输出电压为u1=SPRF，其中，S为光电二极管的灵敏度，P为入射光功率。在检测弱光信号时，RF为提高增益，RF的取值应选择尽可能大，放大器的输入偏置电流IB和输入失调电压VB对输出电压的影响分别为IBRF和为光电二极管内阻。可以看出，减小RF可以减少以上影响，但同时会减小电路的增益。解决这个问题需选择偏置电流和失调电压均很低的运算放大器。这里选用OPA111型高精度运算放大器，其偏置电流约为0．8 pA，输入失调电压约100 μV。经过计算，RF的值取在几百MΩ范围内时，上述影响可以近似忽略，能够满足电路的要求。

1.2 前置放大电路[4－9]

由于光电转换电路的输出信号通常在mV数量级，且信号常常淹没在噪声中，因此前置放大部分需有较强的滤噪和放大能力。选用精密对数放大电路LOG100与外围元件构成前置放大电路。图1虚线框内所示电路为LOG100的简化内部电路，其动态输入范围1 nA～1 mA，满跨度输出误差（FSO）低于0．37%，与精确对数关系最大偏离小于0．1%。同时，内部还集成有激光校准电阻，使得该对数放大器在环境温度变化时仍能保持精确输出。LOG100有4个选择端，通过不同的连接方式，可以很方便得到不同增益，详见文献[1－2，5－8]。

图1 光电检测电路

由文献[1－2]可知LOG100的输入输出关系为：

2 结果分析

在弱光测试实验中，光电二极管使用S1227－66B型PIN硅光电二极管，该器件灵敏度高，暗电流小。为了减小干扰，实验时电路封装在金属盒内，采用±10 V直流稳压电源供电，电源线与信号线均使用屏蔽电缆。光源为振荡器555组成的振荡电路控制的普通红色发光二极管输出的周期性光脉冲信号，周期T=105 ms。使用数字示波器观察并记录光电转换电路的输出和前置放大电路的输出信号。

根据LOG100的输入输出关系，实验中以I2为基准电流，根据运放反向输入结构有，即在电路中可通过给定基准电压μ2实现。光电检测部分电路的输出电压一般只有mV量级，同时根据LOG100器件要求，其输入电流要在1 nA～1 mA，I1，I2的比值要在105以内。故图1中的输入电阻R11，R21选择在几十kΩ，以保证对数电路输出精确度，根据这些要求，μ2值设定为几mV。

因光电转换电路的增益很高，虽然采用精密放大电路，并使用RF和CF限制信号频带，但几乎对所有的输入光信号，其输出噪声都非常高。图2（a）为P=0．7 nW时光电转换电路的输出波形，可以看出，噪声与信号在同一个数量级，噪声与信号峰值比接近1，如果以这样的输出直接进行A/D转换，将使数据的准确性大打折扣，虽然可以通过单片机程序中的滤噪子程序来降低数据的出错概率，但软件模拟功能具有一定的局限性，可能无法得到准确的数据输出。图2（b）是通过前置放大电路处理后的输出信号，其波形较光滑，噪信峰值比降低至0．02以下，几乎不用软件滤噪可以将A/D转换的数据直接进行后续处理。由此可见，LOG100作为前置放大电路在放大有用信号的同时，也有效抑制了噪声，其具体测量数据与理论计算结果差距较小，完全可满足设计要求。图3所示为输入光功率在1．4 nW时理论值（虚线）与测量值（实线）相差不到0．1 V。

图4为不同入射光功率P下前置放大电路的输出VOUT波形，从图4可以看出，输入光信号的强度几百pW的微弱改变时，LOG100的输出信号幅度有几百mV的明显变化，这使得在A/D转换时可最大限度地采集不同光源强度的数据。然而LOG100也有其不足之处。由图4可见，随着输入光强度的减弱，输出信号中噪声逐渐增强，当噪声与信号相比增大到一定程度后，可能会使A/D转换电路输出错误，这时必须采用软件进行滤噪处理。因此LOG100一般用在检测弱光信号电路中，在微弱光信号检测中，LOG100的输出信噪比较小，还需精密滤波电路辅助，这不但增加了电路的复杂性，也使其输出数据的准确度大大降低，从而不能进行实际应用。

要解决这个问题，可考虑使用精度更高的LOG101和LOG104作为前置放大电路，与LOG100相比，它们具有更宽的动态输入范围100 pA～3．5 mA，精确度可达0．01%FSO。LOG101和LOG104采用恒定增益，在电路中使用灵活性方面不如LOG100。在内部没有集成激光校准电阻，但直流偏移电压低，且能在很宽的温度范围（－5～75℃）内精确输出，因此更适合使用于微弱光信号检测电路中。