一種醫(yī)用光電檢測(cè)前置放大電路設(shè)計(jì)

　　4 I/V轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　光電二極管輸出的電流信號(hào)難以被電路直接放大，一般都是先經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。本設(shè)計(jì)I/V轉(zhuǎn)換電路采用成熟的跨阻放大器來實(shí)現(xiàn)，基本電路模型如圖 5所示。

　　通常I/V轉(zhuǎn)換電路使用FET型輸入的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，應(yīng)選擇偏置電流小，輸入電容低和失調(diào)電壓溫漂系數(shù)低的高開環(huán)增益運(yùn)放，此外需著重關(guān)注電流噪聲、電壓噪聲、輸入電容、增益帶寬積等參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，I/V轉(zhuǎn)換部分信號(hào)帶寬最小取3MHz，運(yùn)放的增益帶寬積選擇由反饋電阻Rf、總輸入電容Ci和信號(hào)帶寬共同決定?？傒斎腚娙軨i為二極管電容與運(yùn)放輸入電容之和。

　　通常運(yùn)放的輸入電容為幾個(gè)pF，S1223在反向偏置時(shí)的結(jié)電容為20pF，估算走線電容為2pF，運(yùn)放的輸入電容取8pF，因此取Ci=30pF計(jì)算。圖5中的電路在45°相位裕度的時(shí)候有下面的公式關(guān)系，其中f2表示帶寬高限頻率，此處即3MHz，ft表示運(yùn)放的最小單位增益帶寬。

　　根據(jù)系統(tǒng)光信號(hào)在光電二極管S1223上的電流范圍、板卡輸出電壓信號(hào)峰峰值確定I/V變換電路的反饋電阻取R2 =6.2kΩ，根據(jù)上面公式得I/V變換的運(yùn)放增益帶寬積必須大于10.5MHz。綜合上述考慮，本設(shè)計(jì)采用ADI公司的AD8034實(shí)現(xiàn)，其增益帶寬積為80MHz。

　　另外在I/V變換電路中，為了使電路穩(wěn)定，需要在反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)電容，以減少電路的不穩(wěn)定性，即圖5中的Cf。根據(jù)下面信號(hào)帶寬計(jì)算公式

　　由f2 =3MHz，Rf = 6.2kΩ，反饋電容的最大值Cf =8.5pF。

　　Cf的最小值由下面公式給出：

　　該值將給出約45º的相位容限。對(duì)于AD8034，增益帶寬積為f u = 80MHz，計(jì)算得反饋電容的最小值為3.1 pF。因此I/V級(jí)反饋電容Cf的范圍是3.1 pF ~8.5pF，綜合考慮到PCB(印制電路板)走線等電容和物料選擇，取I/V反饋電容為5pF，該級(jí)電路信號(hào)帶寬為5.1MHz，最終的電路設(shè)計(jì)如圖6。

　　5 信號(hào)調(diào)理輸出設(shè)計(jì)

　　光電流信號(hào)經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后，可獲得較大的電壓幅度，后級(jí)可根據(jù)前置放大電路增益需求安排單級(jí)或多級(jí)放大，本設(shè)計(jì)采用單級(jí)實(shí)現(xiàn)10A放大，同時(shí)引入5pF的反饋補(bǔ)償電容，本級(jí)電路信號(hào)帶寬3.18MHz。對(duì)散射光前放電路而言，噪聲主要由第一級(jí)決定，因此對(duì)后級(jí)放大器的要求不高，出于簡(jiǎn)化物料需要，同樣選擇ADI公司的AD8034。放大環(huán)節(jié)后采用2階巴特沃茲低通濾波來消除信號(hào)帶寬以外的噪聲，截止頻率約為2.56MHz，通帶增益為1。根據(jù)放大倍數(shù)、帶寬和增益帶寬積間的簡(jiǎn)單關(guān)系，同樣選擇ADI公司的AD8034。同時(shí)，為了去除低頻信號(hào)的干擾，電路中引入一級(jí)由RC電路組成的高通電路，截止頻率根據(jù)R2、C2值可簡(jiǎn)單計(jì)算得到高通截止頻率為16Hz。