微弱光電信號檢測電路設計及性能分析

郭　濤，王　超，魏明明（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051）

微弱光電信號檢測電路設計及性能分析

郭濤1，2*，王超1，2，魏明明1，2
（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051）

針對微弱光檢測技術的應用，介紹了一種光電檢測電路的優化設計。分析了每一部分電路的工作原理，并將其與傳統電路作了對比，突出了設計的優勢。此外，用PSpice軟件對電路進行了全面仿真，闡明了影響電路性能的關鍵指標和關鍵器件。最后對電路進行了實測，實驗結果表明，該設計拓寬了可檢光的動態范圍，光電轉換穩定，且信噪比高。

微弱信號檢測；光電轉換；對數變換；PSpice仿真

對微弱光信號的檢測，在科學研究和軍事等領域有廣泛的應用［1］。微弱光檢測的難點在于光電探測器接收到的光信號和轉換后的電信號都很微弱，很容易淹沒在各種噪聲中［2］；而且微弱光的動態范圍比較大，光電檢測設備的量程不好控制［3］。因此，研發性能優越的光電檢測設備，提高信噪比和拓寬設備可檢測光范圍尤為重要。設計以降低噪聲和拓寬微弱光光強測量范圍為目的，對傳統的光電探檢測電路進行了優化設計，并對優化后的電路進行了測試。

1　光電檢測電路工作原理簡述

光電檢測電路是一種將光信號轉換為電信號的電路。一般由光電轉換、信號放大、濾波等部分組成［4］。圖1為典型的光電探測器工作原理圖。

圖1　光電探測器工作原理

光電二極管接受光信號后，將其轉換為光電流，光電流經過前置放大電路后轉換為電壓信號，從前置放大電路輸出的電壓信號經過放大電路提高幅度［5］，然后經過濾波電路進行降噪提高信噪比［6］，以便后續采集電路采集［7］。

2　光電檢測電路優化

2.1光電轉換電路的改進

傳統的光電轉換電路多采用專用的集成器件，OPT301就是其中的一種，如圖2為集成器件OPT301的內部電路組成。

圖2　OPT301內部電路

可知，OPT301可以直接將輸入的光信號轉換為電壓信號輸出。利用這種集成器件的法的優點是電路實現起來比較簡單，且空間占用較小。但這種方法缺點也很明顯：缺乏靈活性，輸出電壓幅值較小，噪聲較大［8］。

設計采用的相對分立的元器件組成的光電轉換電路。圖3為電路的原理圖。

圖3　光電轉換電路

PIN光電二極管S1226-4BQ工作在光伏模式下，特點是：零偏置、幾乎無暗電流、低噪聲。運放選用的是AD549，它具有極低輸入偏置電流和低輸入偏置電壓，1015Ω的共模輸入阻抗以及低噪聲低溫漂特性。此外，滑動變阻器R1為AD549前置放大器提供了偏置調零功能。圖4為光電轉換電路等效電路。

圖4　光電轉換電路的等效電路

分析可知，光電轉換電路的輸出為：式（1）中Isc為光電二極管在光照下產生的光電流；S表示光電二極管的靈敏度；P表示入射光功率；Rs為光電二極管的內阻。為了得到較高的輸出電壓和較低的噪聲，一般Rf比較大（幾百MΩ甚至幾GΩ），與之并聯的電容Cf較小（一般選幾pF）。圖中的Vs表示輸入失調電壓，可以通過調節圖3中的R1將其消除。

2.2對數變換電路

為了方便數據采集，輸出電壓一般要控制在0～5V之間，由式（1）可知，輸出電壓U1與接收光的功率P成正比。因此若直接用線性放大電路，由于輸出電壓范圍控制在了5V以內，會使得可檢測光的動態范圍會受到限制，也就是說光強稍微變大一點就可能使輸出電壓超過5V而無法檢測。為了改善這個不足，設計中增加了一級對數變換電路。

由電路知識可知，對數變換可以使信號在一定程度上實現壓縮［9］。因為輸出信號與輸入信號的對數成正比，這就可以確保在輸出信號范圍一定的情況下，允許輸入信號有更寬的動態范圍。圖5即為設計的對數變換電路。

圖5　對數變換電路

運放用的是OP07，它是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極型運放，同時具有較低的失調電壓漂移和高開環增益，特別適合微弱信號的處理。D1是為了防止當U1為負U2為正時，造成三極管Q1的UBE反偏置而損壞。經分析計算可得輸出電壓表達式如下［10］：

式中UT是電路隨溫度變化的因子，約等于26mV。Is為Q1發射結的反向飽和電流。由式（2）可知，U2與U1的對數成線性關系，即在U2范圍固定的情況下，允許U1有更寬的范圍；而U1與輸入光的功率P成線性關系，所以拓寬了可檢測光的動態范圍。

3　電路性能分析

為了進一步分析電路的性能，利用 OrCAD PSpice軟件對電路進行了仿真分析。圖6為整體電路的PSpice仿真圖原理圖。為了仿真，必須先建立好各個器件的PSpice模型［11］。根據光電二極管S1226的微變等效電路，利用電流源I1，電阻Rs和電容Cs模擬其PSpice模型。AD549的PSpice模型是從ADI公司官網下載相關文件然后利用Model Editor軟件制作的。而OP07和其他器件的PSpice模型在軟件庫中可以找到。有了各個器件的PSpice模型后即可建立如圖6所示的PSpice仿真原理圖。

圖6　PSpice仿真原理圖

3.1前置放大電路的PSpice仿真

首先進行前置放大電路的直流偏執點分析，這部分分析的目的是為了找出對前置放大電路直流特性影響最大的元器件，其PSpice仿真結果如圖7所示。

圖7　直流偏執點仿真結果

由結果可知：對輸出電壓U1影響最大的器件是反饋電阻Rf，這由式（1）也可推測到，因此Rf的選取很重要，盡量選取電器特性好的器件。設計中選擇的是低溫漂低噪聲的金屬膜電阻［12］，阻值100 MΩ。

電容 C1是影響電路的帶寬關鍵因素，利用PSpice軟件的參數掃描功能來輔助C1值的選取。設定C1的掃描范圍為0.8 pF～3.2 pF，掃描步長為0.4 pF。仿真結果如圖8。分析可知，放大器AD549在電容C1容值較小時會產生高頻響應尖峰，而隨著電容C1的增大，響應尖峰會下降，甚至消除。為了足夠的余量消除響應尖峰，設計中C1的容值選擇為10 pF。

確定了Rf和C1的值后，前置放大電路的帶寬就隨之固定了。圖9是其仿真結果。可知其截止頻率為162Hz，與理論計算值相符。

圖8　頻域參數掃描圖

圖9　前置放大電路帶寬仿真圖

3.2對數變換電路的仿真驗證

圖10為電路的直流掃描仿真圖，U1、U2、U3分別為圖6中前置放大電路的輸出電壓、經過對數變換電路的電壓、經過放大電路的最終輸出電壓。

圖10　電路直流掃描仿真圖

圖11是U2的局部放大的顯示結果。通過圖10和圖11可以看出，經過對數變換電路，前置放大電路的輸出電壓U1被壓縮了，對數變換電路達到了預期的壓縮信號的功能。壓縮后的輸出電壓U2通過放大電路放大后達到了適合的幅值，即0～5 V。

圖11　輸出電壓U2直流掃描仿真圖

3.3電路噪聲仿真

光電檢測電路的輸出噪聲由以下幾個部分組成［13］：電阻的熱噪聲、運放的電流噪聲、電壓噪聲及由光電二極管暗電流引入的噪聲。總的噪聲可表示為

式中EnoR為電阻熱噪聲，Enoe為運放電壓噪聲，Enoi為運放的電流噪聲，EnoD為光電二級管噪聲。這些噪聲可以通過理論計算得出，但是過程非常復雜。而通過PSpice軟件的噪聲分析功能可以很快的分析出噪聲的特性。PSpice軟件分析電路噪聲的原理是將電路中各個器件引入的噪聲全部等效成激勵源引入的噪聲，然后仿真出這個等效輸入噪聲的大小和由它導致的輸出噪聲的大小。圖12為等效輸入電流噪聲頻譜曲線，圖13為電路的輸出噪聲頻譜曲線。

圖12　等效輸入電流噪聲頻譜曲線

圖13　電路輸出噪聲頻譜曲線

由圖12可知，輸入電流噪聲在高頻段增大速度明顯加快；同時由圖13可以看出，電路工作頻率超過60 Hz時，輸出噪聲增大速度也明顯加快。綜上可知，在滿足檢測信號帶寬的條件下，應盡量降低電路的帶寬來降低輸出噪聲。

3.4電路實測

圖14是一次電路實測時輸出電壓的示波器截圖，可以看出信號輸出穩定、平直。圖15是輸出電壓的交流分量，即電路的噪聲。對比圖14、圖15可知，電路輸出的有效信號為2.4 V，而輸出噪聲在5 mV以內，表明該電路信噪比很高。

圖14　實測輸出電壓

圖15　電路輸出噪聲

4　結束語

提出了一種光電檢測電路的設計方案，并利用PSpice軟件對電路器進行了仿真，優化了器件參數。仿真和實測的結果表明，電路有較高的信噪比。文中用到電路設計方法和PSpice仿真方法對光電檢測技術的研究有一定的參考價值。

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郭濤（1971-），男，漢族，山西太原人，教授，碩士，現工作在中北大學電子測試技術國家重點實驗室，主要研究方向為慣性測量系統、微器件的設計與制造，guotao6@nuc.edu.cn；

王超（1988-），男，漢族，黑龍江北安人，現就讀于中北大學，碩士研究生，主要研究方向為微系統及集成技術，781422693@qq.com。

Design of Weak Photoelectric Signal Detection Circuit and Performance Analysis

GUO Tao1，2*，WANG Chao1，2，WEI Mingming1，2
（1.Key Lab of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North Uniυersity of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，North Uniυersity ofChina，Taiyuan 030051，China）

For application on weak lightdetection，this article introduced an optimization design of photoelectric detection circuit.Itanalyzed theworking principleofall the partsof the circuit，compared the designwith the traditional circuitand highlighted theadvantage of the design.In addition，the performance of the circuitwassimulated based on PSpice software.According to the result，the key indicators and components that influenced the circuit performance were analyzed.Finally，the circuitwere verified.The resultsof the experiments show that this design allows the input signalhasawide dynamic rangeand ithasahigh signal tonoise ratio，stability of thephotoelectric conversion.

weak signaldetection；photoelectric conversion；logarithmic transformation；PSpice simulation

TP212；TN206

A

1005-9490（2016）04-0913-05

2015-09-01修改日期：2015-10-16

EEACC:7230；425010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.031