對(duì)數(shù)放大器在弱光檢測中的應(yīng)用

摘要：為提取弱光檢測電路中淹沒在噪聲中的信號(hào)，通常使用高精度放大器尤其是對(duì)數(shù)放大器來提高電路濾除噪聲的能力，其中以對(duì)數(shù)放大器LOGl00為前置放大電路的光電檢測電路效果最佳?；谶@種電路，提出一種低噪聲弱光電檢測電路設(shè)計(jì)方案，以電子元器件相關(guān)參數(shù)的選擇和依據(jù)，檢測LOGl00的輸出效果。測量結(jié)果表明，輸入光信號(hào)功率高于l nW，LOGl00噪聲濾除性能良好，而低于l nW時(shí)則輸出噪聲明顯增強(qiáng)，可能導(dǎo)致A／D轉(zhuǎn)換輸出錯(cuò)誤，不利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
關(guān)鍵詞：弱光；檢測；光電轉(zhuǎn)換；對(duì)數(shù)放大器；噪聲；LOGl00

弱光檢測通常是先將光信號(hào)通過光電器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)前置放大電路放大后，由A／D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。弱光檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域。弱光檢測電路一個(gè)重要性能指標(biāo)是對(duì)噪聲的濾除能力，但在弱光檢測時(shí)，光信號(hào)與噪聲幾乎處于同一數(shù)量級(jí)，信號(hào)很容易淹沒在噪聲中，不利于后續(xù)電路處理。傳統(tǒng)方法是采用電路級(jí)聯(lián)來濾除干擾，放大信號(hào)；但這種電路需用精密電阻，且設(shè)計(jì)復(fù)雜，電路體積大，可靠性差。隨著集成對(duì)數(shù)放大電路的發(fā)展，其寬動(dòng)態(tài)范圍、高精確輸出的顯著特點(diǎn)，光檢測電路也得到不斷發(fā)展與完善，對(duì)數(shù)電路具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)壓縮性能，可將很寬的輸入動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)壓縮在很窄的電壓范圍內(nèi)。因此，這里提出一種以LOGl00作為前置放大的弱光檢測電路設(shè)計(jì)方案。

1 電路設(shè)計(jì)與分析
1．1 光電轉(zhuǎn)換電路
圖1為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率。在檢測弱光信號(hào)時(shí)，RF為提高增益，RF的取值應(yīng)選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調(diào)電壓VB對(duì)輸出電壓的影響分別為IBRF和，Rs為光電二極管內(nèi)阻?？梢钥闯觯瑴p小RF可以減少以上影響，但同時(shí)會(huì)減小電路的增益。解決這個(gè)問題需選擇偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運(yùn)算放大器。這里選用0PAlll型高精度運(yùn)算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調(diào)電壓約100μV。經(jīng)過計(jì)算，RF的值取在幾百M(fèi)Ω范圍內(nèi)時(shí)，上述影響可以近似忽略，能夠滿足電路的要求。

1．2 前置放大電路
由于光電轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)通常在mV數(shù)量級(jí)，且信號(hào)常常淹沒在噪聲中，因此前置放大部分需有較強(qiáng)的濾噪和放大能力。選用精密對(duì)數(shù)放大電路LOGl00與外圍元件構(gòu)成前置放大電路。圖l虛線框內(nèi)所示電路為LOGl00的簡化內(nèi)部電路，其動(dòng)態(tài)輸人范圍1 nA～1 mA，滿跨度輸出誤差(FSO)低于0．37％，與精確對(duì)數(shù)關(guān)系最大偏離小于O．1％。同時(shí)，內(nèi)部還集成有激光校準(zhǔn)電阻，使得該對(duì)數(shù)放大器在環(huán)境溫度變化時(shí)仍能保持精確輸出。LOGl00有4個(gè)選擇端，通過不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見文獻(xiàn)。
由文獻(xiàn)可知LOGl00的輸入輸出關(guān)系為：

2 結(jié)果分析
在弱光測試實(shí)驗(yàn)中，光電二極管使用S1227-66B型PIN硅光電二極管，該器件靈敏度高，暗電流小。為了減小干擾，實(shí)驗(yàn)時(shí)電路封裝在金屬盒內(nèi)，采用±lO V直流穩(wěn)壓電源供電，電源線與信號(hào)線均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發(fā)光二極管輸m的周期性光脈沖信號(hào)，周期T=105 ms。使用數(shù)字示波器觀察并記錄光電轉(zhuǎn)換電路的輸出和前置放大電路的輸出信號(hào)。