基于對(duì)數(shù)放大器LOGl00的弱光檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　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(cè)電路。該檢測(cè)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(cè)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?，減小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(wèn)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(guò)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(méi)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(jiǎn)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(guò)不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見(jiàn)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(cè)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)。

　　根據(jù)LOGl00的輸入輸出關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中以I2為基準(zhǔn)電流，根據(jù)運(yùn)放反向輸入結(jié)構(gòu)有，即在電路中可通過(guò)給定基準(zhǔn)電壓μ2實(shí)現(xiàn)。光電檢測(cè)部分電路的輸出電壓一般只有mV量級(jí)，同時(shí)根據(jù)LOGl00器件要求，其輸入電流要在l nA～l mA，I1，I2的比值要在l05以內(nèi)。故圖1中的輸入電阻R11，R21選擇在幾十kΩ，以保證對(duì)數(shù)電路輸出精確度，根據(jù)這些要求，μ2值設(shè)定為幾mV。

　　因光電轉(zhuǎn)換電路的增益很高，雖然采用精密放大電路，并使用RF和CF限制信號(hào)頻帶，但幾乎對(duì)所有的輸入光信號(hào)，其輸出噪聲都非常高。圖2(a)為P=0．7nW時(shí)光電轉(zhuǎn)換電路的輸出波形，可以看出，噪聲與信號(hào)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，噪聲與信號(hào)峰值比接近l，如果以這樣的輸出直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，將使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大打折扣，雖然可以通過(guò)單片機(jī)程序中的濾噪子程序來(lái)降低數(shù)據(jù)的出錯(cuò)概率，但軟件模擬功能具有一定的局限性，可能無(wú)法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸出。圖2(b)是通過(guò)前置放大電路處理后的輸出信號(hào)，其波形較光滑，噪信峰值比降低至O．02以下，幾乎不用軟件濾噪可以將A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行后續(xù)處理。由此可見(jiàn)，LOGl00作為前置放大電路在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也有效抑制了噪聲，其具體測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果差距較小，完全可滿足設(shè)計(jì)要求。圖3所示為輸入光功率在1．4 nW時(shí)理論值(虛線)與測(cè)量值(實(shí)線)相差不到0．1 V。