一種光電煙支檢測器前置放大電路的設(shè)計

裴全喜劉慶偉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所 安徽 蚌埠 233010；2.天津卷煙廠 中國 天津 300012）

0 緒論

光電煙支檢測器可以在線檢測并剔除不合格的煙支，在煙支質(zhì)量控制上發(fā)揮著極為重要的作用。采用光電檢測的方式可以實現(xiàn)非接觸、高速、精確檢測，非常適用于高速卷接機(jī)組。

前置放大電路是光電煙支檢測器電路中關(guān)鍵電路之一，它的作用是先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將煙絲端散射出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號放大送到后級電路處理，作為整個電路的 “眼睛”，它的性能好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能好壞。

1 前置放大電路噪聲分析

煙支檢測器中光電轉(zhuǎn)換器件采用的是光電二極管，經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換的電信號相當(dāng)微弱，很容易受到噪聲的干擾，所以在設(shè)計該部分電路時要盡量減小噪聲，提高信噪比和檢測分辨率。噪聲源主要來自3個方面，一是光電管，二是前置放大器，三是外部噪聲。

1.1 光電二極管的噪聲

光電二極管的光電流一般為nA至μA級，其主要噪聲是熱噪聲和散粒噪聲。

1.1.1 熱噪聲

熱噪聲是導(dǎo)電材料中載流子不規(guī)則熱運動在材料兩端產(chǎn)生的隨機(jī)漲落電壓，它是電阻性電路器件的共性噪聲。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度，電阻及噪聲等效帶寬，一般關(guān)系式為:

式中，K是波爾茲曼常數(shù)，T是材料的絕對溫度，R （f）表示光電檢測電路中總電阻隨頻率的變化關(guān)系。在純電阻的簡單情況下，R與頻譜無關(guān)，上式變?yōu)?UT2=4KTRΔf,在溫度一定時，熱噪聲只與電阻和噪聲等效帶寬Δf有關(guān)；當(dāng)溫度為T= 300K,KT=4.14×10-21J，電阻的噪聲電壓和電流有效值變?yōu)椋?/p>

可以看出電阻R是主要的熱噪聲源，在R不變的情況下減小T和Δf的值可以減小噪聲。

1.1.2 散粒噪聲

由光生載流子形成和流動密度的漲落而造成的噪聲稱為散粒噪聲，散粒噪聲電流均方值為：

式中：q為電子電荷量，I為通過光電管的光電流、暗電流及背景光電流的平均值，Δf為等效噪聲帶寬。可以看出減小I及Δf可有效減小散粒噪聲。

綜合1.1.1和1.1.2兩點可知：若要減小此環(huán)節(jié)的噪聲，應(yīng)選取暗電流小的管子，Δf盡可能小，盡量工作在低溫環(huán)境。

1.2 前置放大器的噪聲

圖1 放大電路噪聲等效模型

運放的噪聲電壓和電流對電路的影響可視為噪聲輸入電壓源和電流源的作用，它們對輸出端噪聲電壓的貢獻(xiàn)En1和En2分別為：

運放存在輸入失調(diào)電流和失調(diào)電流，其值隨溫度漂移，失調(diào)電壓和失調(diào)電流會在輸出端產(chǎn)生噪聲，同時反饋電阻也會對輸出端噪聲有影響。各噪聲源互不相關(guān)，總的噪聲En等于各噪聲源單獨存在時的均方根值。

光電二極管的信號電流經(jīng)運算放大器后的輸出：

S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率

若要減小此環(huán)節(jié)的噪聲，應(yīng)選取低偏置低漂移的元件，同時要求電源穩(wěn)定、環(huán)境溫度恒定、反饋電阻選取適當(dāng)。

1.3 外界因素

外部擾動包括輻射源的隨機(jī)波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測電路所受到的電磁干擾等。這些擾動可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色片以及電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。本項目光源為經(jīng)過調(diào)制的穩(wěn)定的紅外光。

2 前置放大電路設(shè)計

本項目中選用的光探測器是硅光電二極管，光照特性曲線線性較好，暗電流較小，其光譜特性正好和發(fā)射管的峰值波長匹配。它的輸出端緊密連接了一個低噪聲的前置放大器，它的任務(wù)是放大光電轉(zhuǎn)換輸出的微弱電信號，并匹配光電管與后級處理電路的阻抗，具體電路見圖2。

圖2 低噪聲光電二極管前置放大電路

在本項目中硅PIN管內(nèi)阻在幾十千歐到上百千歐之間，選低噪聲的集成運放較為合適。從圖中可以看出，前部分運放和RC組成的電路實現(xiàn)的功能是I-V變換，利用運放的“虛短”可知輸出電壓為：

其中Ip為光電流，Rf是反饋電阻。后部分實現(xiàn)的功能是光電流信號的放大,放大倍數(shù)為A=R4/R2＝9.75。針對上述的3個噪聲來源，為了盡量減小噪聲提高輸出信號的信噪比，該前置放大電路設(shè)計時考慮了以下幾點：

（1）采用電流放大型，光電二極管采取無偏壓的工作方式，這樣可減小暗電流，提高檢測精度。

（2）選取光電二級管時應(yīng)注意暗電流和結(jié)電容Cj應(yīng)盡量小，等效電阻Rd應(yīng)盡可能大。因為Cj不僅影響噪聲的帶寬，而且影響噪聲的大小,本課題選用的光電二級管型號為BPW34，其Cj為1.1pf，暗電流為2nA(25℃)。

（3）反饋電阻Rf在滿足頻帶和輸出范圍的情況下不能太大，否則會產(chǎn)生較大噪聲，本電路的Rf為100kΩ。

（4）盡量減小電路的通頻帶Δf，在反饋電阻Rf的兩端并聯(lián)小電容防止自激。

（5）選用超低偏置電流的運算放大器，以提高檢測的靈敏度和精度。因為偏置電流會在反饋電阻上產(chǎn)生偏移電壓，本電路選用的是TL072，屬于低噪聲元件，等效輸入噪聲電壓

（6）為了減小外界雜散光影響，光電管使用金屬外殼屏蔽且外殼接地；PCB布線時盡量短；光源采用穩(wěn)定的經(jīng)過調(diào)制的紅外光；運放的電源管腳和地管腳之間跨接了濾波電容以提高電源穩(wěn)定度。

3 結(jié)束語

光電檢測的前置放大電路的噪聲主要來自3個方面，與光電管的材料、結(jié)構(gòu)、放大器件、電源、光源、溫度、周圍環(huán)境等諸多因素相關(guān)，在設(shè)計時除了考慮電信號外還要考慮光信號，例如本項目中使用的光纖導(dǎo)光束，它提供了光的發(fā)射和接收通道，它的結(jié)構(gòu)、材料、損耗等指標(biāo)和后面的電路密切相關(guān)，是本項目的關(guān)鍵件。實踐證明光電煙支檢測器在煙支質(zhì)量檢測上性能良好，前置放大電路的設(shè)計是較為成功的。

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