基于光电检测的红外光信号接收电路设计

周 烨，吴 炜，黄子强

（电子科技大学 光电信息学院，四川 成都 610054）

随着科学技术的发展，红外器件目前已广泛应用于遥控、遥测和通信等领域。由于红外光是在0.75～1 000 μm波长范围内，属于微弱信号范畴，不仅其信号的幅度小，而且常常被淹没在噪声中。为了检测被背景噪声覆盖的红外光信号，通常需要提高信噪比，这就需要结合电子学、信息论、计算机和物理学等方法[1]。

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[2]。它主要利用电子技术对光学信号进行检测,并进一步传递、储存、控制、计算和显示[3]。它可以用光电探测器件将光学信息量变换成电量,并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的[4]。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律,以便于进行相应的电路改进,更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态[5]。

在红外光信号检测的过程中，由于光在空气中的传输极易受到环境光的干扰以及转换器件本身噪声的影响，常常会造成检测的不准确，以致红外器件的性能受到影响。本文在光电转换的基础上，增加了二阶压控低通滤波器和高通滤波器组成的带能滤波电路和放大电路，不仅可以有效地滤除环境光的干扰，并能放大转换器的输出电压到伏级，达到推动后续电路工作的要求。

1 检测电路的基本组成框图

红外发射器件所发射的红外光信号首先要通过光电探测器转换成电信号，光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱,而且光探测器输出的信号往往被噪声所掩埋，因此,要对这样的微弱信号进行处理，要先进行预处理，将大部分噪声滤除并将微弱信号放大到后续电路所要求的幅度范围。所以，需通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号[6]。光电检测模块的组成框图如图1所示。

1.1 常见基础红外光电转换电路

图1 光电检测电路模块框图Fig.1 Block digram of photo electrical detection circuit module

光电转换电路要求灵敏度高，线性度好，电路结构简单。图2为常见基础红外光电转换电路。光敏三极管是在光敏二极管的基础上发展起来的半导体光敏器件，它不仅有光电转换的作用，同时还具有放大功能，等效于光敏二极管和普通三极管的组合元件。对于微弱信号的检测来说，由于实验所测光信号幅度很小，所以选择光敏三极管实现光电转换[7]。

图2 常见基础红外光电转换电路Fig.2 Common basic infrared optoelectronic switching circuit

图2（a）为负载电阻下端的输出电压电路，光敏三极管VQ1的b－c结被有效地反向偏置，b－c结的光生电流直接反馈入器件的基极。由于三极管的正常电流放大作用，放大的输出电流以集电极电流的形式出现，并在负载电阻R的下端输出光电转换后相应的电压信号UO。

图2（b）为负载电阻上端的输出电压电路，R接在VQ1管的下端，光敏三极管VQ1的基极开路，没有负反馈作用，其发射极电流与集电极电路相同。输出电压信号的变化应该与图2（a）所示电路的输出信号相似，实际上图 2（b）比图 2（a）光电转换电路输出端获得的电压更稳定，线性度更好。

图2（c）所示电路为采用场效应管作为恒流源的光电转换传感器电路。场效应管与偏置电阻组成的恒流源为光敏三极管VQ2提供一定的电流，调节R的阻值可改变VQ2管的栅源偏压，从而改变恒流源的电流值。恒流源的直流电阻较小，但恒流源的动态电阻很大，当入射光的照度有较小的变化时，恒流源的端电压就会有较大的变化，这就使光电转换电路的输出端获得较大的电压值。实验证明，图2（b）的光电流与光照度线性关系最好，所以本文选择图2（b）所示电路作为光电转换电路。

由于太阳光谱中红外光集中在波段为622～770 nm范围内，故在选择光敏三极管时，选择响应波长峰值大于太阳光能量谱中处于谷低的波长即770 nm，减少太阳光对转换器件的影响。

1.2 放大电路的设计

本设计中的光敏三极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用,但后续电路一般为A/D转换电路,所需电压幅值一般为2～5 V。而输出的电压信号非常微弱，通常为微伏级，所以一般还需要继续放大几百倍,因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如图3所示。

图3 典型放大电路Fig.3 Typical amplifying circuit

1.3 滤波电路的设计

光电转换后的电信号，不但含有红外光的信号，还含有自然光、白噪声、器件本身的噪声干扰，其中以自然光干扰为主。为了从光电转换信号里提取有用的电信号，滤除自然光的干扰，本设计在前置放大电路后加入一个带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声。

有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运放等有源器件的滤波器，它相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性,且构成简单，性能优良。本设计中放大器选用的是LM224，它包含有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，并且具有低输入失调电压和失调电流、低输入偏置电流等。滤波电路带宽的确定是设计的重点，为使滤波效果达到最好，带宽应越小越好，然而受器件本身因素的限制，带宽不可能无限小，经过多次计算和实验，设计出了带宽较小能满足系统需要的带通滤波器，如图4所示。

该主放大器的放大倍数为 A=1+R2/R1，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作,设计

时需要设定合理的R2和R1值,以便得到所需幅值的输出电压。即有

图4 带通滤波器Fig.4 Band-pass filter

上图的带通滤波器是由1个二阶的低通滤波和1个二阶的高通滤波所组成的，其中低通滤波器的传递函数为：

高通滤波器的传递函数为：

当R5=R6=8 KΩ，Q1=Q2=45 pF时，可解出低通截止频率为 f0=450 kHz，当 R9=R11=12 kΩ，Q3=Q4=800 pF 时，可解出高通截止频率为16 kHz。

当f=100 kHz的正弦波经过带通滤波器后，效果如下图5所示。

1.4 完整的检测电路设计

本文设计的完整光电检测电路的设计如下图6所示。

图5 f=100 kHz的正弦波通过带通滤波器的效果图Fig.5 Effect diagram when f=100 kHz’s sine waveform pass the pass-band filter

图6 完整的光电检测电路Fig.6 Whole photo electrical inspection circuit

2 结束语

本文研究了光电检测的原理和方法，设计出一套完整的光电检测系统，其中用光敏三极管实现光电转换，不仅能把光信号转换成电信号，还将微弱小信号进行了放大处理。根据红外光信号及噪声的特点，确定了电路中主要元器件的值，从而使得掩埋在大噪声背景下的红外光信号的检测得以实现，并为后续的处理做好准备。在红外器件的设计中可以运用该系统作为接收信号的前置调理电路。图7为100 kHz的脉冲信号驱动红外发射管，接收管经过上述设计系统后的效果图。其中方波为驱动波形，正弦波为系统转换出的接收波形。

图7 系统处理后的效果图Fig.7 Results after processing of the system

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[2]宋丰华.现代光电器件技术及应用[M].北京:国防工业出版社，2004.

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[5]徐大超，王志坚，宋涛.微弱光信号检测[J].仪器仪表用户，2009，116（3）：119-120.XU Da-chao，WANG Zhi-jian，SONG Tao.Weak optical signal detection[J].Instrumentation Customer，2009，116 （3）:119-120.

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