低噪声微弱近红外光检测电路设计

夏建华，谢小鹏，高国刚，肖郡龙

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州，510640；2.宝腾智能润滑技术（东莞）有限公司，广东东莞，523839）

0 引言

近年来，近红外光电检测凭借其穿透力强、非侵入式、高速实时、体积小等优点在诸多领域得到广泛应用。在医学上，通过接收的透射光信号可以无创测量人体血糖和脑血氧浓度等。在工业上，研究红外光穿过介质后的光信号变化可以实时反应介质浓度，例如二氧化碳浓度0等。在气液两相流流体研究领域中，通过检测管道透射光信号变化可以得出两相流流型以及相含率等数据。然而其检测装置中红外光接收电路比较简单，在放大电流信号的同时也放大了输入噪声，目前应用中均未能具体分析电路噪声来源，导致输出信号信噪比较低，不利于后续的信号处理。

目前在红外光电检测电路设计领域中，张洋、张记龙等人根据光电探测器输出的微弱光信号设计两级放大电路，通过叠加法计算电路的输出噪声并在实际工程角度提出抑制噪声的方法。江婷、李胜等人在分析碲镉汞光导红外探测器工作特性后，设计低噪声前置放大电路和窄带滤波电路用以检测光谱仪的红外微弱交变信号。周玉娇、任侃等人分析了光电二极管反偏的光电检测电路，建立其噪声模型，并通过实际测量输出噪声电压验证了其模型的正确性。但是以上研究仅分析了噪声来源，未能给出单独噪声源随频率的具体变化趋势，而且未能针对实际的红外对射检测电路应用进行研究。

本文主要分析跨阻放大电路噪声来源，得出其等效噪声模型，计算每个噪声源的噪声密度大小以及噪声增益，得出其随频率变化的噪声密度曲线。通过元器件选型和设计运算放大器稳压供电电源以减少输入噪声，后续结合待测信号频率设计滤波电路的通带带宽并通过Ltspcie电路仿真对比滤波前后的输出噪声密度曲线与输出总噪声大小。

1 IV转换电路设计与噪声分析

红外线介于基于可见光和微波之间的一段电磁波，根据波长范围可以分为近红外区、中红外、和远红外区。近红外光的波长在0.71-2.5um的范围内。通常选用对应光谱范围的光电二极管接收透射光信号，输出与红外光强度成正比的微弱电流信号。通常采用如图1所示的跨阻放大电路，信号带宽如式（1）所示：

图1 跨阻放大电路

其中为Rf为反馈电阻，由于二极管产生电流大小随光源不同而变化，本文暂定二极管产生电流最大值为200nA，反馈电阻取值为107Ω；Cf为反馈电容。

光电二极管处在不同的外加偏压下，其工作模式也不相同：当外加偏压为0时，工作在光伏模式下；当外加反向电压时，工作在光导模式下。光伏模式相比光导模式，二极管暗电流几乎为0，由于电流信号为nA级别，为了减少暗电流带来的噪声，此处选用光伏模式，即光电二极管两端零偏压。

为了分析电路噪声，将其转化为如图2所示的等效噪声模型，其中虚线框内是光电二极管的等效噪声模型，由理想的电流源、内部结电容、分流电阻组成。虚线框外是跨阻放大电路噪声模型，由理想的运算放大器与噪声电流源、噪声电压源以及反馈电阻、反馈电容组成。

图2 电路等效噪声模型

1.1 元件型号选择

由噪声等效电路可知，噪声主要来源于光电二极管与运算放大器，正确的型号选择能够有效减少输出噪声。

光电二极管分为PN型和PIN型，二者主要区别在于：（1）PN型光电二极管结电容比较大，根据截止频率公式，截止频率与结电容成反比，因此PN型频率带宽较小，不适合接收频率较高的红外信号，例如调制后的红外信号。（2）PIN型光电二极管灵敏度高，噪声更低。根据入射波长与光电二极管的响应光谱，此处选择VBP104FAS的PIN型光电二极管，结电容较小，暗电流较低。其主要参数如表1所示。

表1 二极管参数

运算放大器的输入电流噪声与输出电压噪声都属于噪声来源，尤其在高频段，输入电压噪声成为主要的噪声来源。此处选择ADI公司的ADA4625-1，具有极低输入电压噪声和电流噪声，宽增益带宽乘积，其主要参数如表2所示。

表2 运算放大器参数

1.2 噪声来源分析

集成电路的噪声主要是由宽带噪声和1/f噪声两种类型混合而成：

（1）宽带噪声主要表现为在一个带宽频谱密度为常数，即en=enw。

根据图2等效噪声模型，跨阻放大电路主要噪声来源有热电阻噪声，运算放大器输入电流噪声和电压噪声，每个噪声源的输出噪声频谱密度等于输入噪声频谱密度与其相应噪声增益的乘积。这些噪声源共同产生了电路输出噪声。

1.2.1 热电阻噪声

热电阻噪声属于宽带噪声，主要来自光电二极管内部分流电阻Rsh与反馈电阻Rf。其噪声频谱密度分别为：

其中kb为玻尔兹曼常数1.38×10−23J/K，Tn为开尔文温度，这里暂时假设为300.15K，即27℃。可见当温度确定时，反馈电阻噪声只与阻值相关。

1.2.2 输入电流噪声

1.2.3 输入电压噪声

与其他噪声不同的是，输入电压噪声在低频段属于1/f噪声，在高频段属于宽带噪声，并且反馈电容和二极管内部结电容的存在导致其噪声增益计算相对复杂。

为了求解其噪声增益，搭建如图3所示的等效电路。

图3 噪声增益等效电路

针对a、b点，根据基尔霍夫电流定理以及运算放大器的“虚断”、“虚短”特性有：

可以得到噪声增益的传递函数：

其中：

式中Ci为输入电容，为光电二极管结电容和运算放大器输入电容之和；Rsh为光电二极管内部分流电阻。

根据传递函数可以画出伯德图如图4所示。

图4 噪声增益

同时Cf由于同时影响信号带宽，不宜过大，此处根据目标带宽10KHz，有：

代入到式（7），（8）中可以计算

综合所有噪声源可以得到如图5所示的输出噪声频谱密度曲线。

图5 输出噪声密度曲线

由于4个输出噪声不相关，所以总的输出噪声密度频谱密度：

总输出电压噪声均方值可以表示为：

其中fL是起始频率，对应此处的1Hz；

fH是终止频率，对应此处的107Hz；

eo是输出电压噪声密度。

1.3 滤波电路设计

图6 滤波电路

其幅频特性曲线和相频特性曲线如图7所示。

图7 滤波电路曲线图

1.4 电源电路的设计

在实际使用中，上述运算放大器都是±15V双电源供电，为了减小供电电源噪声给电路带来的影响，采用如图8所示低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO），相比于DC-DC电压转换器，LDO输出纹波电压小，稳定性好，适合为精密运算放大器供电，分别选用ADI公司的ADP7142和ADP7182产生±15V电压。二者的参数为下：

表3 LDO参数表

电源模块电路如图8所示。

图8 电源模块电路

对于ADP-7142固定输出电压为5V,可以通过外部电阻分压器，根据式（18）将电压提升到15V，此处选择R1=20kΩ，R2=10kΩ

但是这种方法会导致增大电压的同时，增大输出电压噪声。为了降低输出噪声，此处选用R3与C1，与R1并联，降低输出误差的交流增益，此时得到正电源输出电压噪声计算为式（20）所示，负电源输出电压噪声计算如式（21）所示。

2 Ltspice仿真

Ltspice是ANALOG DEVICE(ADI)公司的高性能spice软件，内部包含ADI公司的元器件的spice模型，适用于大多数开关稳压器、运算放大器和通用电路的仿真。仿真功能多、速度快、结果准确。

2.1 放大电路仿真

在Ltspice仿真搭建如图9所示的电路，其中光电二极管用理想电流源、结电容以及分流电阻替代，启动Ltspice的噪声分析，设置起始和终止频率为1Hz到10MHz。

图9 Ltspice仿真电路图

单独对跨阻放大电路进行噪声分析可以得到如图10所示的噪声增益曲线。在低频段，噪声增益几乎为1。但是由于在实际仿真中，反馈电阻存在杂散电容，导致实际反馈电容高于计算值，进而实际高频增益低于计算值。

图10 噪声增益仿真

前置放大电路各个噪声源的输出噪声密度曲线如图11所示。可见在低频段噪声几乎主要来源于反馈电阻的热噪声。当频率逐渐升高时电阻热噪声密度逐渐下降，而运算放大器电压噪声密度逐渐升高。

图11 噪声密度曲线仿真

分别对跨阻放大电路和不加滤波器的跨阻放大电阻进行噪声分析，可以得到如图2-4所示的输出噪声密度曲线。由图可知，在低频段，两条曲线几乎重合，在高频段由于低通滤波器有效滤除了运算放大器的输入电压噪声，相比之下曲线衰减速度更快，频率相同时，噪声密度值更低。

图12 电路输出噪声密度仿真

对输出电路噪声密度曲线积分可以得出输出总噪声曲线如图13所示，跨阻放大电路的总输出噪声曲线最终收敛在129.14uV，而加上滤波器之后，总输出噪声曲线最终收敛在40.40uV。在满足目标带宽的前提下，噪声减小了68.71%

图13 电路输出总噪声

可见，低通滤波电路的添加在不影响电路带宽的同时有效提高电路的信噪比。

2.2 电源电路仿真

对于电源模块电路，在LTspice仿真软件中搭建如图14，图15所示的电路仿真：

图14 +15V电源电路图

图15 -15V电源电路图

图14为输出电压为+15V电路，图15为-15V输出电路，两张图各自上半部电路不带降噪功能，下半部分带降噪电路。在10Hz到100KHz上分别对电路进行交流分析，可以得到输出噪声均方根值为如下表格4所示：

表4 输出噪声对比图

可见，通过在R1上并联电阻、电容有效降低了输出电压噪声值，使得输出电压更加稳定，减小了电源噪声对检测电路的影响。

3 结论

本文通过对红外光电检测电路的噪声分析，设计了应用于微弱近红外光检测的高增益低噪声前置放大电路。仿真结果表明：（1）合适容值的反馈电容可以有效降低电路在高频段的噪声增益，减少运算放大器输入电压噪声密度，提高系统稳定性。（2）在满足信号带宽的前提下设计一阶低通滤波电路可以有效降低电路的输出噪声，提高电路的信噪比。（3）通过在LDO外部电阻分压器上并联电阻电容，可以有效降低电源的输出电压噪声。

该电路可以应用在两相流流动状态检测和介质浓度检测领域，作为信号采集放大部分记录近红外光信号的实时变化。