光電檢測技術中之微弱光信號前置放大電路設計

0引言

　　光電檢測技術是光學與電子學相結合而產生之一門新興檢測技術［1］。陽光電子學校維修專家分析認為：它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示［2］。陽光電子學校維修專家分析認為：光電檢測技術從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性之非電量。陽光電子學校維修專家分析認為：它可通過光學系統把待檢測之非電量信息變換成為便于接受之光學信息，然后用光電探測器件將光學信息量變換成電量，并進一步經過電路放大、處理，以達到電信號輸出之目之［3］。陽光電子學校維修專家分析認為：然后采用電子學、信息論、計算機及物理學等方法分析噪聲產生之原因和規律，以便于進行相應之電路改進，更好地研究被噪聲淹沒之微弱有用信號之特點與相關性，從而了解非電量之狀態。陽光電子學校維修專家分析認為：微弱信號檢測之目之是從強噪聲中提取有用信號，同時提高檢測系統輸出信號之信噪比。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　1 光電檢測電路之基本構成

　　光電探測器所接收到之信號一般都非常微弱，而且光探測器輸出之信號往往被深埋在噪聲之中，因此，要對這樣之微弱信號進行處理，一般都要先進行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續處理器所要求之電壓幅度。陽光電子學校維修專家分析認為：這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲之待檢測信號。陽光電子學校維修專家分析認為：其光電檢測模塊之組成框圖如圖1所示。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　2 光電二極管之工作模式與等效模型

　　2．1 光電二極管之工作模式

　　光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管之兩種模式之偏置電路。陽光電子學校維修專家分析認為：圖中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確之線性工作；而在光導模式時，光電二極管可實現較高之切換速度，但要犧牲一定之線性。陽光電子學校維修專家分析認為：事實上，在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小之電流(叫做暗電流或無照電流1。陽光電子學校維修專家分析認為：而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管之噪聲基本上是分路電阻之熱噪聲；在反偏置時，由于導電產生之散粒噪聲成為附加之噪聲源。陽光電子學校維修專家分析認為：因此，在設計光電二極管電路之過程中，通常是針對光伏或光導兩種模式之一進行 優化設計，而不是對兩種模式都進行 優化設計［4］。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　一般來說，在光電精密測量中，被測信號都比較微弱，因此，暗電流之影響一般都非常明顯。陽光電子學校維修專家分析認為：本設計由于所討論之待檢測信號也是十分微弱之信號，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務，所以，設計時采用光伏模式。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　2．2 光電二極管之等效電路模型

　　工作于光伏方式下之光電二極管之工作模型如圖3所示，它含一個被輻射光激發之電流源、一個理想之二極管、結電容和寄生串聯及并聯電阻。陽光電子學校維修專家分析認為：圖中，IL為二極管之漏電流；ISC為二極管之電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管之寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯電阻。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　由于工作于該光伏方式下之光電二極管上沒有壓降，故為零偏置。陽光電子學校維修專家分析認為：在這種方式中，影響電路性能之關鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路之頻率穩定性和噪聲性能。陽光電子學校維修專家分析認為：CPD是由光電二極管之P型和N型材料間之耗盡層寬度產生之。陽光電子學校維修專家分析認為：耗盡層越窄，結電容之值越大。陽光電子學校維修專家分析認為：相反，較寬之耗盡層(如PIN光電二極管)會表現出較寬之頻譜響應。陽光電子學校維修專家分析認為：硅二極管結電容之數值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。陽光電子學校維修專家分析認為：而光電二極管之寄生電阻RPD(也稱作"分流"電阻或"暗"電阻)，則與光電二極管之偏置有關。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　與光伏電壓方式相反，光導方式中之光電二極管則有一個反向偏置電壓加至光傳感元件之兩端。陽光電子學校維修專家分析認為：當此電壓加至光檢測器件時，耗盡層之寬度會增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD之值。陽光電子學校維修專家分析認為：寄生電容值之減小有利于高速工作，然而，線性度和失調誤差尚未 優化。陽光電子學校維修專家分析認為：這個問題之折衷設計將增加二極管之漏電流IL和線性誤差。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　3 電路設計

　　3．1 主放大器設計

　　眾多需要檢瀏之微弱光信號通常都是通過各種傳感器來進行非電量之轉換，從而使檢測對象轉變為電量(電流或電壓)。陽光電子學校維修專家分析認為：由于所測對象本身為微弱量，同時受各種不同傳感器靈敏度之限制，因而所得到之電量自然是小信號，一般不能直接用于采樣處理。陽光電子學校維修專家分析認為：本設計中之光電二極管前置放大電路主要起到電流轉電壓之作用，但后續電路一般為A／D轉換電路，所需電壓幅值一般為2 V。陽光電子學校維修專家分析認為：然而，即使是這樣，而輸出之電壓信號一般還需要繼續放大幾百倍，因此還需應用主放大電路。陽光電子學校維修專家分析認為：其典型放大電路如圖4所示。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　該主放大器之放大倍數為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。陽光電子學校維修專家分析認為：為了后續電路之正常工作，設計時需要設定合理之R2和R1值，以便得到所需幅值之輸出電壓。陽光電子學校維修專家分析認為：即有

　　湖南省陽光電子技術學校常年面向全國招生.安置就業。考試合格頒發全國通用權威證書：《中華人民共和國職業資格證》 、《電工證》 、《焊工證》 。采用我校多年來獨創的“模塊教學法”,理論與實踐相結合、原理＋圖紙＋機器三位一體的教學模式，半天理論，半天實踐，通俗易懂，確保無任何基礎者也能全面掌握維修技能、成為同行業中的佼佼者。工作(一期不會，免費學會為止)。