一種醫用光電檢測前置放大電路設計

摘要：本文介紹了一種采用ADI公司的AD8034型FET輸入運算放大器搭建的高頻醫用光電檢測前置放大電路，重點介紹了光電傳感器的偏置保護、信號帶寬補償和I/V轉換電路設計方法，具有良好的噪聲性能，滿足醫用儀器光電信號檢測需要。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/233867.htm

關鍵詞：醫用診斷設備；光電檢測；前置放大電路；AD8034

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.2.006

引言

在用于臨床檢驗科室的醫用體外診斷設備中，大量應用光學信號的變化來分析血液、尿液和腦脊液等體液成分，因此光電檢測電路設計被廣泛應用于該類設備。醫用光電檢測電路根據光學信號變化情況可以分為兩大類，第一類是用于檢測近似靜止或者光學信號的緩慢變化，如應用比色法進行檢測的生化分析儀和血凝儀等的低頻光電檢測電路，第二類是用于檢測光學信號的快速變化，如用于血液細胞分析儀和流式細胞儀的高頻光電檢測電路。

本文介紹一種用于上文中第二類光學信號檢測的高頻光電檢測模擬電路設計，該前置放大電路作為一個獨立PCB板設計，封裝為用于光電轉換的前置放大器，整個系統的電氣性能主要由該模塊決定。本設計的檢測對象是波長為535nm附近的綠光信號，該信號是由快速經過光照區的細胞所引發的散射光信號，根據細胞經過光照區的速度，散射光信號變化頻率在1MHz～1.8MHz之間。

1 系統方案

由于散射光信號的光功率很低，為了減少信號轉換中引入的干擾，同時適合醫用設備的光學應用場景，本設計采用了傳感器偏置模塊、帶寬補償模塊、I/V轉換模塊和信號調理輸出模塊的系統設計方案，如圖 1所示實現完整的光學檢測前置放大電路設計。

前置放大電路包含光電轉換傳感器、帶寬補償電路、I/V轉換電路和信號調理電路，將光信號轉換為電壓脈沖信號輸出給后續儀器處理電路，該光電檢測電路封裝為用于光電轉換的前置放大器，本文重點介紹該電路的設計實現。

2 傳感器偏置設計

前置放大模塊的電路性能是本設計的關鍵，需精心進行設計和調試。根據系統光信號特點，選用日本濱松公司的S1223型光電二極管作為光電轉換傳感器。S1223的有效接收面積為2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置電壓的條件下，可以提供25MHz的信號頻率響應，在400～1000nm波長范圍內具有良好的光電轉換性能，能夠滿足光信號轉換的要求。

如圖3光電二極管S1223使用VB=-12V偏置，為了防止電流過大損壞光電二極管，反偏電路中加入了20kΩ的限流電阻，此時的反偏電壓不小于10V，由圖 2可知S1223中存在約50pA暗電流，通過I/V轉換之后產生的電壓在uV級水平，對電路性能沒有影響。

3 帶寬補償設計

由于引入限流電阻將導致電路在高頻信號下，光電流大部分以電荷形式儲存在光電二極管的結電容中，流出的電流很小，簡單說就是造成信號帶寬下降，具體如下式所示：

其中C1=0.1μF。當C1>>Cs時（一般10倍以上），就可以保證光電流基本無損的經過后續I/V轉換電路，實現帶寬補償。

4 I/V轉換設計

光電二極管輸出的電流信號難以被電路直接放大，一般都是先經過I/ V轉換電路轉變為電壓信號。本設計I/V轉換電路采用成熟的跨阻放大器來實現，基本電路模型如圖 5所示。

通常I/V轉換電路使用FET型輸入的運算放大器實現，應選擇偏置電流小，輸入電容低和失調電壓溫漂系數低的高開環增益運放，此外需著重關注電流噪聲、電壓噪聲、輸入電容、增益帶寬積等參數。在本設計中，I/V轉換部分信號帶寬最小取3MHz，運放的增益帶寬積選擇由反饋電阻Rf、總輸入電容Ci和信號帶寬共同決定?？傒斎腚娙軨i為二極管電容與運放輸入電容之和。

通常運放的輸入電容為幾個pF，S1223在反向偏置時的結電容為20pF，估算走線電容為2pF，運放的輸入電容取8pF，因此取Ci=30pF計算。圖5中的電路在45°相位裕度的時候有下面的公式關系，其中f2表示帶寬高限頻率，此處即3MHz，ft表示運放的最小單位增益帶寬。

根據系統光信號在光電二極管S1223上的電流范圍、板卡輸出電壓信號峰峰值確定I/V變換電路的反饋電阻取R2 =6.2kΩ，根據上面公式得I/V變換的運放增益帶寬積必須大于10.5MHz。綜合上述考慮，本設計采用ADI公司的AD8034實現，其增益帶寬積為80MHz。

另外在I/V變換電路中，為了使電路穩定，需要在反饋電阻上并聯一個電容，以減少電路的不穩定性，即圖5中的Cf。根據下面信號帶寬計算公式

2.56MHz，通帶增益為1。根據放大倍數、帶寬和增益帶寬積間的簡單關系，同樣選擇ADI公司的AD8034。同時，為了去除低頻信號的干擾，電路中引入一級由RC電路組成的高通電路，截止頻率根據R2、C2值可簡單計算得到高通截止頻率為16Hz。

6 信號帶寬分析

分析各級電路模塊的信號帶寬，可以計算得到整個電路的信號帶寬：

1）光電二極管S1223的帶寬：25MHz；

2） I/V轉換級的帶寬：為1階低通模型，可知低通截止頻率為5.1MHz；

3）1階高通模型的帶寬：為1階高通模型，可知高通截止頻率為16Hz；

4）固定增益環節的帶寬：為1階低通模型，可知低通截止頻率為3.18MHz；

5）2階巴特沃茲低通濾波器的帶寬：低通截止頻率為2.56MHz。

綜上，根據多級放大電路頻響的上限截止頻率計算公式

計算可得，整個光電檢測前置放大電路的信號通帶范圍為（16 Hz～2.07M Hz），帶寬約為fH=2.07M Hz，滿足光學信號的設計需求。

7 噪聲分析

根據多級放大電路的原理，本文介紹的光電檢測前置放大電路的噪聲主要決定于I/V轉換電路引入的噪聲。對用于高速光電信號轉換的I/V轉換電路，該級噪聲主要為運放的電壓噪聲和Rf的電阻熱噪聲。由于整個電路的的信號帶寬為fH=2.07MHz，取等效噪聲帶寬變換因子為1.57，同時后級放大級增益為G=10，則結合圖5所示的I/V轉換等效電路模型，整個電路的噪聲計算如下：

結語

本文介紹的醫用光電檢測前置放大電路設計，在研制過程中經歷多次試驗，結果表明滿足開發的臨床診斷設備應用需求，且具有電路形式簡單、噪聲性能良好、穩定性高等優點，可以在同類醫用診斷設備的設計應用中加以推廣，具有良好的應用前景。

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