一種醫(yī)用光電檢測前置放大電路設(shè)計(jì)

　　摘要：本文介紹了一種采用ADI公司的AD8034型FET輸入運(yùn)算放大器搭建的高頻醫(yī)用光電檢測前置放大電路，重點(diǎn)介紹了光電傳感器的偏置保護(hù)、信號帶寬補(bǔ)償和I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方法，具有良好的噪聲性能，滿足醫(yī)用儀器光電信號檢測需要。

　　引言

　　在用于臨床檢驗(yàn)科室的醫(yī)用體外診斷設(shè)備中，大量應(yīng)用光學(xué)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(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于該類設(shè)備。醫(yī)用光電檢測電路根據(jù)光學(xué)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(xué)信號的緩慢變化，如應(yīng)用比色法進(jìn)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(xué)信號的快速變化，如用于血液細(xì)胞分析儀和流式細(xì)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(xué)信號檢測的高頻光電檢測模擬電路設(shè)計(jì)，該前置放大電路作為一個(gè)獨(dú)立PCB板設(shè)計(jì)，封裝為用于光電轉(zhuǎn)換的前置放大器，整個(gè)系統(tǒng)的電氣性能主要由該模塊決定。本設(shè)計(jì)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(jīng)過光照區(qū)的細(xì)胞所引發(fā)的散射光信號，根據(jù)細(xì)胞經(jīng)過光照區(qū)的速度，散射光信號變化頻率在1MHz~1.8MHz之間。

　　1 系統(tǒng)方案

　　由于散射光信號的光功率很低，為了減少信號轉(zhuǎn)換中引入的干擾，同時(shí)適合醫(yī)用設(shè)備的光學(xué)應(yīng)用場景，本設(shè)計(jì)采用了傳感器偏置模塊、帶寬補(bǔ)償模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊和信號調(diào)理輸出模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示實(shí)現(xiàn)完整的光學(xué)檢測前置放大電路設(shè)計(jì)。

　　前置放大電路包含光電轉(zhuǎn)換傳感器、帶寬補(bǔ)償電路、I/V轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號輸出給后續(xù)儀器處理電路，該光電檢測電路封裝為用于光電轉(zhuǎn)換的前置放大器，本文重點(diǎn)介紹該電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　2 傳感器偏置設(shè)計(jì)

　　前置放大模塊的電路性能是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需精心進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)光信號特點(diǎn)，選用日本濱松公司的S1223型光電二極管作為光電轉(zhuǎn)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(yīng)，在400~1000nm波長范圍內(nèi)具有良好的光電轉(zhuǎn)換性能，能夠滿足光信號轉(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)換之后產(chǎn)生的電壓在uV級水平，對電路性能沒有影響。

　　3 帶寬補(bǔ)償設(shè)計(jì)

　　由于引入限流電阻將導(dǎo)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(jié)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R是限流電阻，Cs是光電二極管結(jié)電容，If為流過I/V級反饋支路的有效電流，Is是光電二極管產(chǎn)生的光電流。因此由圖2可知在電路反向偏置約10V情況下，S1223的結(jié)電容為Cs=20pF，對于20kΩ的限流電阻，那么-3dB信號帶寬f0只有400kHz。為此需要對帶寬進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，反偏及補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)如下。

　　帶寬補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)思路是降低高頻時(shí)限流電阻的等效阻抗。如圖4，對于電容C1，其右端為運(yùn)放“虛地”，交流時(shí)等同和限流電阻并聯(lián)，所以

　　其中C1=0.1μF。當(dāng)C1>>Cs時(shí)(一般10倍以上)，就可以保證光電流基本無損的經(jīng)過后續(xù)I/V轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)帶寬補(bǔ)償。