微弱光電信號檢測電路優化設計

文/鄧敏

微弱光電信號盡管微弱，但在工業生產與日常生活中的應用也較為廣泛，光電信號檢測電路的性能對于光電信號檢測的精確度有著一定的影響，因此，研究人員要做好光電檢測原理和微弱信號檢測影響因素的分析，對影響光電信號與電路的原因進行科學的判斷，采用合理的形式設計檢測電路，提高光電檢測器電源穩定性，降低噪音干擾，選用正確的運算放大器，進而實現對微弱光電信號的采集和處理。

1 相關概念與原理分析

（1）微弱光電信號檢測目前在各行各業領域應用較為廣泛，如科研事業與軍事領域，光電檢測的難點在于很多探測器難以接收到微弱的信息，利用弱光檢測儀器實現對光信號的收集與轉換，微弱光電信號容易淹沒在噪聲中，影響因素較大，光電檢測設備的量程難以進行控制。因此，科研人員要研發優質的光電信號檢測設備，降低噪音對光電信號的影響，對光電檢測器電路進行優化，保證檢測的質量。

（2）光電檢測電路結構與原理，微弱光電信號檢測電路主要是將光信號轉換為電信號的電路，主要分為三部分，光電轉換部件、信號放大部件、濾波結構構成，電路工作原理如圖1。

光電檢測探測器接受到光信號以后，將其轉化為光電流，光電流經過放大電路進而轉化為電壓信號，電壓信號經發達器放大和幅度提升，通過濾波電路進行降噪處理，之后電信號可以被收集和處理。

2 光電信號檢測電路特點與檢測模式

光電二極管電路如圖2。

圖中Is由光電流IL、暗電流Id、噪聲電流In構成，Cj是二極管電容；Rd為電阻，Rs由接觸電阻和未耗盡電阻構成，大小受管子尺寸、偏壓、溫度的影響，數值在幾十到幾百歐姆不等，RL是載荷電阻，CL分是載荷電容。

當該電路中反向電流跟隨光照強度增加時，如果處于一定反向電壓范疇內，電流大小與電壓無關；當光照相對固定時，二極管電路就是一個恒流電源，輸出的電壓和電阻成正比；二極管電流中的暗電流較小，相反光電流較大，不同的二極管波長與相應時間是存在差別的，一般我們選用重慶光電研究所生產的GT021型PIN二極管，性能較高，主要材料是鍺，光譜響應速度較快，十分靈敏，氣密性也較好。

光電二極管探測結構主要有兩種，一種是光伏模式，另一種是光導模式。光伏模式是指二極管處于零偏狀態，沒有暗電流，噪聲比較低，可以精確測量數值。光導模式是指對二極管電路設置反向電壓，有暗電流，噪聲較大，但非線性較強，速度較快。

3 微弱光電信號檢測電路優化策略

3.1 改善光電轉換電路設計

以往的光電轉換電路都是利用集成的部件結構，例如OPT301就是具有代表性的一種，電路組成如圖3。

OPT301電路可以實現將光信號直接轉化為電壓信號，使用相對簡單，而且占用空間較小，但是這種模式也存在一些問題，輸出電壓較小，噪聲較大，而且使用時不夠靈活。可以使用分離的部件組成轉換電路，如PIN二極管電路，光伏模式下，暗電流幾乎沒有，噪聲較小，對于測量準確值影響較小。采用AD549電路設計可以實現偏置電流和偏置電壓的輸入，可以降低噪聲，滑動變阻器還可以調節電路的性能。

通過對檢測電路的分析，我們知道電路輸出為 U1= Isc×Rf=S×P×Rf這個公式中，Isc是二極管在光照下產生的光電流，S是二極管電路的靈敏程度，P是光的功率，Rs是電路的電阻，想要得到高質量的電信號，降低噪聲，Rf設置較大，并聯的Cf電容數值較小。

3.2 設計科學的對數變換電路

為了提升光電信號的采集與處理質量，收集準確的數據，一般電路電壓要控制在0到5V范圍內，輸出的電壓與光的功率是成正比的。如果使用線性電路進行放大，測量的光范圍會受到限制，一旦光照強度變大，輸出電壓就會超出范圍，這樣就使得檢測儀器無法檢測，為了提升檢測效率，可以考慮增加對數變換電路。

對數變換電路可以對信號進行一定程度的壓縮，輸入信號與輸出信號的對數成正比，進而保證輸出信號可以得到有效的控制，輸入信號有一定的變化范圍。

運放采用的是OP07電路模式，這種模式噪聲較低，采用非斬波穩零的雙極型運放，失調電壓漂移較低，開環增益較大，很適合用于微弱光電信號的檢測與收集。還有在三極管電路中，為了避免造成反偏置損壞，要對偏置電壓進行合理處理，利用對數電路提高檢測的準確性，電壓與輸入光功率是線性關系，進而調整光電信號檢測的靈活性。

圖1

圖2

圖3

4 結語

綜上所述，微弱光電信號的收集與檢測需要采用合理的檢測儀器，要對檢測電路進行科學的優化，進而保證光電信號檢測的質量和效果，得出精確地數值。電路優化中要考慮降低噪聲對信號的影響，保證優質的電信號輸出，進而在科研及其他相關領域對其進行高質量的應用。

參考文獻

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