实现白细胞五分类的光电检测电路设计

王 坤，施火泉

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

库尔特原理是以细胞粒子通过微孔时电阻抗的变化产生的直流脉冲的幅度来鉴别不同体积的血细胞，而白细胞的中性、嗜碱、嗜酸3种细胞的体积很接近，所以仅由库尔特原理制成的血细胞分析仪只能将白细胞分为3类，故称为三分类仪器。为达到五分类的目的，激光光散射、射频、化学染色计数法相继被应用于对细胞特性的分析，使仪器和操作变得十分复杂。龚维燕博士发明的，一种库尔特微孔的共轴照明方法，通过检测前向光散射信号和对细胞内部形态敏感性更高的后向散射信号，达到对细胞内部结构的测定[1]，实现了五分类和更多参数的综合检测分析。文中设计了基于该方法的光电检测电路。

1 检测电路原理及设计

首先由激光照射通过库尔特微孔的白细胞粒子，散射的光信号由光电探测器进行接收，光电探测器产生一个与照明度成比例的微弱电流。由于直接从光电探测器接收到的信号非常微弱，经实验测定这些粒子的光散射信号产生的电流只有亚微安级，往往被噪声淹没，因此不能直接对这样微弱的信号进行处理，需要通过前置放大、滤波电路和放大电路来实现输出幅值合适、并已滤除大部分噪声的待检测信号。其原理框图如图1所示。

图1 光散射信号放大处理电路框图Fig.1 Light scattering amplification processing circuit diagram

1.1 光电探测器

光电检测器件采用PIN光电二极管。由于PIN光电二极管在半导体的P区和N区间增加一层本征半导体Ⅰ区，增加了PN结耗尽区的厚度，提高吸收光子的机率并减小结电容，从而提高了探测效率和响应速度。此外，PIN光电二极管还具有频率特性好，灵敏度高和稳定性好等特点。

在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。光电二极管工作在光伏模式时，没有施加额外的偏压，暗电流极小，可非常精确的线性工作且光灵敏度较高。

1.2 前置放大电路噪声分析

光电检测电路的设计要尽量减小内部噪声，提高系统的检测精度。光电检测电路的噪声模型可参考文献[2]，它由一个被辐射光激发的电流源Isc、二极管内阻Rd、结电容Cd、以及放大器的等效输入噪声电压En和等效输入电流In组成，光电检测电路输出信噪比为输出信号电压Uso比上输出噪声电压Uno，其公式为：

由上述公式可知，光电检测电路的输出信噪比与很多因素有关。

光电探测器的内阻Rd越大，输出信噪比越大，因此要选择内阻大的光电探测器。同时选用的光电探测器要与集成运放相匹配，以达到电路的噪声系数最小[3]。另外，光电探测器的结电容Cd与Rd并联，Cd越小，其与Rd并联后的阻抗越大，输出信噪比就越大，所以结电容Cd要尽可能小。由于本设计中光电探测器处于无偏压状态，结电容比反向偏压状态时大，所以要尽可能选用结电容Cd小的光电探测器[2]。

测定传感器的微小电流时常采用I-V转换电路，即图2的前置放大级。其中影响电路性能的关键是Rf和Δf，它们会影响光检测电路的噪声性能和频率稳定性。提高Rf的阻值，输出信噪比会增大，同时也提高了信号的增益，根据不同的应用Rf的数值可以从几十千欧到几百兆欧甚至到几十G。但Rf并不是越大越好，因为运算放大器有数pf到数十pf的输入寄生电容 Cin，和反馈电阻Rf构成频率特性的转折点[4]，Rf越大，相位滞后越大，电路越容易自激振荡。在选用元器件时，Rf最好采用噪声小的金属膜电阻。

提高信噪比的另一个方法是减小通频带Δf，电容Cf与Rf并联，其作用就是减小电路的通频带Δf，Rf和Cf组成了一个滤波电路，其高频截止频率fc为1/2π·Rf·Cf。因此电路通频带Δf=1/2π·Rf·Cf。Rf和Cf越大，通频带越小，但电路通频带不能太小，否则输出信号会产生频率失真。另外，Cf不能太大，否则会造成系统响应过慢[2]。电容Cf还具有相位超前作用，改善电路的相位裕度，提高稳定性，消除输入寄生电容Cin和Rf造成的相位滞后而引起的振荡。一般根据Cf>Cin来选取Cf的值，但由于光电探测器也有电容成分，故需要更大的Cf来进行相位补偿。在选用元器件时，Cf最好采用温度补偿型的陶瓷电容。

1.3 前置放大电路设计

集成运放的选择在精密系统应用中十分重要。由于集成运放的偏置电流也会产生噪声，所以要选用低偏置电流的运算放大器如以场效应管为输入级的运放，其开环输入阻抗很高，输入偏置电流就很小，而且偏置电流不易随温度改变，这种运放的功耗也很小[4]。值得注意的一点是常用的微小电流放大器如OPA128并不适用本电路，虽然OPA128是JFET作为输入的运放，偏置电流很小，但是其带宽只有1 MHz，使得反馈电阻Rf不能太大；白细胞的脉冲宽度约为50μs左右，而OPA128的最大转换速率为3 V/us，加上反馈电容的作用使得系统响应变慢，经实验测得其上升时间较长，细胞波形失真，故无法较好地获得白细胞内部结构信息。本设计采用低噪声精密运放OPA2140设计了前置放大器，OPA2140为JFET输入的高精度低噪声运放，偏置电流也很低，其带宽有11 MHz，转换速率为20 V/μs，这样就可以满足要求，如图2前置放大级所示。

图2 完整的光电检测电路Fig.2 Complete photoelectric detection circuit

OPA2140内部为双运放，另一个运放用作电压跟随器，利用电路输入阻抗高及输出阻抗低的特点，使它的高输入阻抗与前级的高输出阻抗匹配；低输出阻抗与后级的低输入阻抗相匹配，起到缓冲作用，减少了前后级之间的影响。

1.4 滤波器电路的设计

电路中存在着由直流分量和电源杂波信号引起的低频干扰信号，同时还存在着高频噪声的干扰，为了从光电转换信号里提取有用的电信号，本设计在前置放大电路后加入一个带通滤波电路，通过带通滤波器对这些干扰信号进行衰减，以除去有用信号频带以外的噪声。

滤波电路带宽的确定也是设计的重点，为使滤波效果达到最好，带宽应越小越好，但过小又会造成有用信号的失真，以数量最多时的细胞来计算，白细胞平均出现的间隔为133μs[5]，经过多次计算和实验，设计出了带宽较小且能满足系统需要的带通滤波器，该频带范围为11～160 kHz。本文设计的带通滤波器由一个单位增益的二阶高通滤波器和一个单位增益的二阶低通滤波器组成，见图2的滤波级。其中高通滤波器的传递函数：

其中

a，b可通过查带通纹波3 dB的切比雪夫系数表获得[6]，当C8=C9=68 nF，则由公式：

可得 R7=30 kΩ，R8=4.42 kΩ

低通滤波器的传递函数：

其中

a1，b1可通过查带通纹波3 dB的切比雪夫系数表获得[6]，当

则由公式

可得 R9=43.8 kΩ，R10=71.5 kΩ，R9取标准电阻 4 3.2 kΩ。

1.5 完整的检测电路设计

完整的光电检测电路如图2所示。

2 实验结果

将泰克示波器TDS2024C的两个探头分别接到两路运放放大电路的输出端output，在液路中建立240 P的负压，保证稀释后的白细胞样本在负压下均匀的通过库尔特微孔，此时示波器记录的白细胞前向和后向光散射信号波形如图3所示。

图3中上下的波形分别是白细胞后向光和前向光散射的信号，由图3可知白细胞的光散射信号已经由微安级放大到了微处理器所能检测的电压范围，且信噪比较好，大幅度提高了对不同种类细胞的鉴别能力。

图4是示波器所测得的直流信号，前向光散射信号，和后向光散射信号。因为不同类别的细胞会在体积、表面特征内部结构等方面呈现明显的不同，将这些特征信息定义到以VCS为三维坐标所形成的立体空间散点图中，这5类细胞可在三维空间中形成特定的细胞群，通过计算某群细胞数量占白细胞总数的百分比，即可得到五项白细胞分类结果[7]。

图3 白细胞前向和后向光散射信号Fig.3 Leukocyte forward and backward lingt scattering singal

图4 白细胞直流、前向、后向三路信Fig.4 Leukocyte DC、forward and backward scattering signal

3 结 论

为实现激光照射白细胞所产生的微弱光电信号的检测，文中研究了光电检测原理和方法，设计了一套完整的光电检测系统。为了减小噪声的影响，并根据白细胞产生的光散射信号特点，确定了电路中主要元件的值，从而使淹没在噪声背景下的光散射信号检测得以实现，并为后续处理做好准备。实验结果表明，该电路可使亚微安级电流信号放大到适合微处理器处理的幅值范围，并具有电路噪声小，通频带宽，系统响应快等优点，可以实现白细胞五分类的测定，也为微弱光电信号在其他场合的应用提供了参考。

[1]龚维燕.全功能血液分析仪器重库尔特微孔的共轴照明方法及其分析仪器[P].美国，201010142501.5，2010－03－09

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[3]占建明，汶德胜，王宏，等.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].集成电路设计与应用，2011，4（12）:304－306.ZHAN Jian-ming，WEN De-sheng，WANG Hong，et al.Analysis of the photodiode preamplifier circuit noise[J].Circuit Cellar Magazine，2011（4）:304-306.

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