叢夢龍　孫丹丹

摘 要 為了對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行提取，設(shè)計(jì)了具有100dB通頻帶增益的跨阻放大電路，并針對(duì)一般光電檢測電路存在的直流偏置現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，提出了利用T形電阻網(wǎng)絡(luò)代替孤立反饋電阻的新型電路結(jié)構(gòu)。利用Pspice軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明引入T形反饋電阻網(wǎng)絡(luò)在抑制光電檢測電路直流偏置方面具有顯著的效果。

關(guān)鍵詞 電阻網(wǎng)絡(luò)；光電檢測電路；抑制作用

中圖分類號(hào)：TN29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）08-0042-02

光電檢測具有非凡的意義，在許多科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用場合中，物質(zhì)的定量或定性分析往往可以通過對(duì)光強(qiáng)度信號(hào)的檢測來實(shí)現(xiàn)。利用紅外光譜吸收的原理，可以對(duì)空氣中的特定組分進(jìn)行濃度監(jiān)測[1]；采用近紅外透射和紫外吸光度法可以檢測水質(zhì)的化學(xué)需氧量，進(jìn)而對(duì)水體受到有機(jī)物污染的程度作出評(píng)價(jià)[2]。電光傳感的方法可以運(yùn)用在煤礦采掘的過程中，利用光電探測器對(duì)煤炭開采環(huán)境進(jìn)行溫度、濕度、以及包括甲烷、一氧化碳在內(nèi)的各種礦井氣體的含量進(jìn)行定標(biāo)[3]；在醫(yī)學(xué)上，基于光電檢測原理的SPR生物傳感器能夠準(zhǔn)確、靈敏、快速、簡便地檢測多種生化指標(biāo)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測生物分子間的相互作用[4]。光電二極管具有響應(yīng)波段廣、線性度高、穩(wěn)定度好、重量輕及成本低廉等特點(diǎn)，在光照的有無、強(qiáng)度，位置和顏色等特性[5]的監(jiān)測方面應(yīng)用十分普遍。

Pspice是一款利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)電路模擬仿真的軟件。在實(shí)際的電路布局布線之前，可以利用Pspice對(duì)電路性能進(jìn)行預(yù)測分析，電子計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)完成對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用各種儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測試。仿真分析之前，用戶根據(jù)自己不同的側(cè)重點(diǎn)來設(shè)定不同的參數(shù)，而仿真過程中，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀的頻譜分析功能，獲得電路的頻率響應(yīng)，或者像示波器一樣，測試電路的瞬態(tài)時(shí)間—電壓波形，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、Monte Carlo統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等，綜合各種功能，可以全面考慮系統(tǒng)整體性能，使效果最優(yōu)。

1 光電二極管放大電路

1）典型電路。

常用的光電二極管放大電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。虛線框內(nèi)是光電二極管PD的電路模型，它包含一個(gè)普通的二極管D1、一個(gè)光生電流源IL、結(jié)電阻RD以及結(jié)電容CT。Rf決定了電路的放大倍數(shù)，補(bǔ)償電容Cf可以防止在高頻區(qū)域可能產(chǎn)生的自激振蕩現(xiàn)象。運(yùn)放同相端接入的電阻RC為補(bǔ)償電阻，可以減弱運(yùn)放輸入電流引起的偏置效應(yīng)。運(yùn)放的反相輸入電流IB-流過Rf時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出偏置分量，IB-Rf。為了對(duì)微弱的光信號(hào)進(jìn)行檢測，通常與光電二極管配合的Rf阻抗都比較大，進(jìn)而偏置量很顯著，而且由于IB-的溫度系數(shù)，這個(gè)偏移量會(huì)表現(xiàn)出很大的溫度漂移。為了補(bǔ)償這個(gè)偏移量，應(yīng)該使RC與Rf相等，此時(shí)同相端產(chǎn)生的偏移量為-IB+RT，正好與反相端的偏移量抵消。在這種電路結(jié)構(gòu)中，剩余的直流偏置誤差取決于放大器輸入電流之間的匹配誤差和電阻Rf、RC的匹配誤差，和未加入RT時(shí)相比，直流偏置電壓將減小5～10倍。

然而，新增加的RC會(huì)形成一個(gè)加在光電二極管上的電壓，這樣就引入了一個(gè)新的偏置誤差源頭。同相端的補(bǔ)償電壓IB+RC也施加在光電二極管上，產(chǎn)生的漏電流ID為

（1）

其中，IR為光電二極管的反向飽和電流；Vt為半導(dǎo)體材料的結(jié)電壓。對(duì)于硅來說，Vt=25.7 mV，只要100 mV的電壓加到二極管上，ID就會(huì)完全飽和。ID流過Rf產(chǎn)生一個(gè)輸出偏置分量IDRf?？紤]到這個(gè)偏置分量，若Rf與RT完全相等，則總偏置可以寫為

（2）

當(dāng)使用高靈敏度的光電二極管時(shí)，大面積的光敏面會(huì)產(chǎn)生比較大的漏電流，此時(shí)為了抵消運(yùn)放輸入電流引起的偏置電壓，反而產(chǎn)生了由光電二極管漏電流引起的更大的偏置電壓，這是典型電路的不足之處。

圖1 典型的光電二極管放大電路結(jié)構(gòu)

2）電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

用T形電阻網(wǎng)絡(luò)代替Rf，得到的電路如圖3所示。如果T型網(wǎng)絡(luò)的等效電阻值Req與圖1的Rf相等，則它們可以實(shí)現(xiàn)相同的放大倍數(shù)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)電阻與圖1中的電阻Rf滿足關(guān)系

（3）

此時(shí)，可以用遠(yuǎn)小于Rf的RfT來實(shí)現(xiàn)同樣的跨阻增益，而為了與RfT匹配所引入的RCT也遠(yuǎn)小于圖1中的RC。當(dāng)匹配電阻與RfT相等時(shí)，得到的總偏置電壓為

（4）

表面上看，新的總偏置電壓與公式2中的一致，但實(shí)際上新的總偏置電壓要比公式2中的小得多。首先，因?yàn)檠a(bǔ)償RfT的RCT小于補(bǔ)償Rf的RC，因此施加在光電二極管上的電壓也小，進(jìn)而新的漏電流IDT要小于典型電路中的漏電流ID。其次，由于T形網(wǎng)絡(luò)中三個(gè)電阻的阻值遠(yuǎn)小于Rf，因此匹配誤差減小，RCT與RfT匹配的程度要遠(yuǎn)好于RC與Rf匹配的程度。

圖2 引入T形電阻網(wǎng)絡(luò)的光電二極管放大電路

3）軟件仿真。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)檢測的目的，所選擇的光電二極管必須具有較高的靈敏度，而為了減小運(yùn)算放大器引起的偏置電壓，應(yīng)該選擇由場效應(yīng)管作為輸入端的運(yùn)放，以減小其輸入偏置電流。綜合以上考慮，我們選取日本濱松公司的S1223型硅光電二極管（結(jié)電容為100pF，結(jié)電阻為5 GΩ）和美國TI公司的LMH6642型低輸入偏置電流運(yùn)算放大器，在Pspice環(huán)境中搭建了電路，并選取合適的電阻值，使典型電路與改進(jìn)型電路具有相同的100dB的跨阻增益值。此時(shí)Rf=100 kΩ，而電阻網(wǎng)絡(luò)中的阻值組合不是唯一的，1種選擇是RfT=4.5 kΩ，R1=4 kΩ和R2=197 Ω。

接下來，對(duì)兩個(gè)電路分別進(jìn)行了時(shí)域分析，仿真時(shí)間設(shè)定為1 s，仿真步長為1 ms。為了模擬真實(shí)的電路設(shè)計(jì)，假設(shè)電阻的匹配精度為1%，則實(shí)際的RC取值范圍是99 kΩ至101 kΩ，而RCT的取值范圍是4.55 kΩ到4.46 kΩ。在兩種電路中分別取最差的匹配情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1所示。

2 結(jié)論

本文分析了典型的由孤立電阻作為反饋元件的光電檢測電路的直流偏置電壓來源。產(chǎn)生的原因主要有兩點(diǎn)，一是運(yùn)算放大器同相與反相輸入電流的不對(duì)稱性；二是光電二極管的漏電流。當(dāng)需要檢測微弱光信號(hào)時(shí)，由于光電二極管的漏電流比較大，且反饋電阻阻值也很大，因此典型結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電阻可能會(huì)引入更大的偏置。為解決這一問題，我們引入T形電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)原有電路進(jìn)行了變形，由于T形網(wǎng)絡(luò)中的阻值較小，因而同相與反相端電阻匹配程度更高，同時(shí)加在光電二極管上的偏置電壓比典型電路要小。從Pspice仿真的結(jié)果來看，我們的分析是正確的，對(duì)于同樣的通頻帶增益和電阻精度標(biāo)準(zhǔn)，新的電路具有更小的偏置電壓。

參考文獻(xiàn)

[1]胡昌寶，何振江，胡仁義，唐紫晶.長光程吸收光譜空氣質(zhì)量監(jiān)測方法問題分析[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2008（03）：

64-66.

[2]吳國慶，畢衛(wèi)紅，呂佳明，付廣偉.近紅外透射和紫外吸光度法檢測水質(zhì)化學(xué)需氧量的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011（06）：1486-1489.

[3]朱運(yùn)東.光電檢測技術(shù)在煤炭產(chǎn)業(yè)中的適用性探究[J].煤炭技術(shù)，2013（11）：278-279.

[4]繆璐，劉仲明，張水華.SPR生物傳感器在臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006（08）：36-37.

[5]宋濤，張斌，羅倩倩.光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2010（06）：46-48.

作者簡介

叢夢龍（1983-），男，滿族，內(nèi)蒙古通遼人，講師，博士，2011年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)工作于內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要從事光電信息檢測及自動(dòng)控制方面的研究。

孫丹丹（1983-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助教，碩士，2009年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)工作于內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要從事模糊邏輯及嵌入式開發(fā)方面的研究。endprint

摘 要 為了對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行提取，設(shè)計(jì)了具有100dB通頻帶增益的跨阻放大電路，并針對(duì)一般光電檢測電路存在的直流偏置現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，提出了利用T形電阻網(wǎng)絡(luò)代替孤立反饋電阻的新型電路結(jié)構(gòu)。利用Pspice軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明引入T形反饋電阻網(wǎng)絡(luò)在抑制光電檢測電路直流偏置方面具有顯著的效果。

關(guān)鍵詞 電阻網(wǎng)絡(luò)；光電檢測電路；抑制作用

中圖分類號(hào)：TN29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）08-0042-02

光電檢測具有非凡的意義，在許多科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用場合中，物質(zhì)的定量或定性分析往往可以通過對(duì)光強(qiáng)度信號(hào)的檢測來實(shí)現(xiàn)。利用紅外光譜吸收的原理，可以對(duì)空氣中的特定組分進(jìn)行濃度監(jiān)測[1]；采用近紅外透射和紫外吸光度法可以檢測水質(zhì)的化學(xué)需氧量，進(jìn)而對(duì)水體受到有機(jī)物污染的程度作出評(píng)價(jià)[2]。電光傳感的方法可以運(yùn)用在煤礦采掘的過程中，利用光電探測器對(duì)煤炭開采環(huán)境進(jìn)行溫度、濕度、以及包括甲烷、一氧化碳在內(nèi)的各種礦井氣體的含量進(jìn)行定標(biāo)[3]；在醫(yī)學(xué)上，基于光電檢測原理的SPR生物傳感器能夠準(zhǔn)確、靈敏、快速、簡便地檢測多種生化指標(biāo)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測生物分子間的相互作用[4]。光電二極管具有響應(yīng)波段廣、線性度高、穩(wěn)定度好、重量輕及成本低廉等特點(diǎn)，在光照的有無、強(qiáng)度，位置和顏色等特性[5]的監(jiān)測方面應(yīng)用十分普遍。

Pspice是一款利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)電路模擬仿真的軟件。在實(shí)際的電路布局布線之前，可以利用Pspice對(duì)電路性能進(jìn)行預(yù)測分析，電子計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)完成對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用各種儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測試。仿真分析之前，用戶根據(jù)自己不同的側(cè)重點(diǎn)來設(shè)定不同的參數(shù)，而仿真過程中，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀的頻譜分析功能，獲得電路的頻率響應(yīng)，或者像示波器一樣，測試電路的瞬態(tài)時(shí)間—電壓波形，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、Monte Carlo統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等，綜合各種功能，可以全面考慮系統(tǒng)整體性能，使效果最優(yōu)。

1 光電二極管放大電路

1）典型電路。

常用的光電二極管放大電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。虛線框內(nèi)是光電二極管PD的電路模型，它包含一個(gè)普通的二極管D1、一個(gè)光生電流源IL、結(jié)電阻RD以及結(jié)電容CT。Rf決定了電路的放大倍數(shù)，補(bǔ)償電容Cf可以防止在高頻區(qū)域可能產(chǎn)生的自激振蕩現(xiàn)象。運(yùn)放同相端接入的電阻RC為補(bǔ)償電阻，可以減弱運(yùn)放輸入電流引起的偏置效應(yīng)。運(yùn)放的反相輸入電流IB-流過Rf時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出偏置分量，IB-Rf。為了對(duì)微弱的光信號(hào)進(jìn)行檢測，通常與光電二極管配合的Rf阻抗都比較大，進(jìn)而偏置量很顯著，而且由于IB-的溫度系數(shù)，這個(gè)偏移量會(huì)表現(xiàn)出很大的溫度漂移。為了補(bǔ)償這個(gè)偏移量，應(yīng)該使RC與Rf相等，此時(shí)同相端產(chǎn)生的偏移量為-IB+RT，正好與反相端的偏移量抵消。在這種電路結(jié)構(gòu)中，剩余的直流偏置誤差取決于放大器輸入電流之間的匹配誤差和電阻Rf、RC的匹配誤差，和未加入RT時(shí)相比，直流偏置電壓將減小5～10倍。

然而，新增加的RC會(huì)形成一個(gè)加在光電二極管上的電壓，這樣就引入了一個(gè)新的偏置誤差源頭。同相端的補(bǔ)償電壓IB+RC也施加在光電二極管上，產(chǎn)生的漏電流ID為

（1）

其中，IR為光電二極管的反向飽和電流；Vt為半導(dǎo)體材料的結(jié)電壓。對(duì)于硅來說，Vt=25.7 mV，只要100 mV的電壓加到二極管上，ID就會(huì)完全飽和。ID流過Rf產(chǎn)生一個(gè)輸出偏置分量IDRf?？紤]到這個(gè)偏置分量，若Rf與RT完全相等，則總偏置可以寫為

（2）

當(dāng)使用高靈敏度的光電二極管時(shí)，大面積的光敏面會(huì)產(chǎn)生比較大的漏電流，此時(shí)為了抵消運(yùn)放輸入電流引起的偏置電壓，反而產(chǎn)生了由光電二極管漏電流引起的更大的偏置電壓，這是典型電路的不足之處。

圖1 典型的光電二極管放大電路結(jié)構(gòu)

2）電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

用T形電阻網(wǎng)絡(luò)代替Rf，得到的電路如圖3所示。如果T型網(wǎng)絡(luò)的等效電阻值Req與圖1的Rf相等，則它們可以實(shí)現(xiàn)相同的放大倍數(shù)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)電阻與圖1中的電阻Rf滿足關(guān)系

（3）

此時(shí)，可以用遠(yuǎn)小于Rf的RfT來實(shí)現(xiàn)同樣的跨阻增益，而為了與RfT匹配所引入的RCT也遠(yuǎn)小于圖1中的RC。當(dāng)匹配電阻與RfT相等時(shí)，得到的總偏置電壓為

（4）

表面上看，新的總偏置電壓與公式2中的一致，但實(shí)際上新的總偏置電壓要比公式2中的小得多。首先，因?yàn)檠a(bǔ)償RfT的RCT小于補(bǔ)償Rf的RC，因此施加在光電二極管上的電壓也小，進(jìn)而新的漏電流IDT要小于典型電路中的漏電流ID。其次，由于T形網(wǎng)絡(luò)中三個(gè)電阻的阻值遠(yuǎn)小于Rf，因此匹配誤差減小，RCT與RfT匹配的程度要遠(yuǎn)好于RC與Rf匹配的程度。

圖2 引入T形電阻網(wǎng)絡(luò)的光電二極管放大電路

3）軟件仿真。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)檢測的目的，所選擇的光電二極管必須具有較高的靈敏度，而為了減小運(yùn)算放大器引起的偏置電壓，應(yīng)該選擇由場效應(yīng)管作為輸入端的運(yùn)放，以減小其輸入偏置電流。綜合以上考慮，我們選取日本濱松公司的S1223型硅光電二極管（結(jié)電容為100pF，結(jié)電阻為5 GΩ）和美國TI公司的LMH6642型低輸入偏置電流運(yùn)算放大器，在Pspice環(huán)境中搭建了電路，并選取合適的電阻值，使典型電路與改進(jìn)型電路具有相同的100dB的跨阻增益值。此時(shí)Rf=100 kΩ，而電阻網(wǎng)絡(luò)中的阻值組合不是唯一的，1種選擇是RfT=4.5 kΩ，R1=4 kΩ和R2=197 Ω。

接下來，對(duì)兩個(gè)電路分別進(jìn)行了時(shí)域分析，仿真時(shí)間設(shè)定為1 s，仿真步長為1 ms。為了模擬真實(shí)的電路設(shè)計(jì)，假設(shè)電阻的匹配精度為1%，則實(shí)際的RC取值范圍是99 kΩ至101 kΩ，而RCT的取值范圍是4.55 kΩ到4.46 kΩ。在兩種電路中分別取最差的匹配情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1所示。

2 結(jié)論

本文分析了典型的由孤立電阻作為反饋元件的光電檢測電路的直流偏置電壓來源。產(chǎn)生的原因主要有兩點(diǎn)，一是運(yùn)算放大器同相與反相輸入電流的不對(duì)稱性；二是光電二極管的漏電流。當(dāng)需要檢測微弱光信號(hào)時(shí)，由于光電二極管的漏電流比較大，且反饋電阻阻值也很大，因此典型結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電阻可能會(huì)引入更大的偏置。為解決這一問題，我們引入T形電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)原有電路進(jìn)行了變形，由于T形網(wǎng)絡(luò)中的阻值較小，因而同相與反相端電阻匹配程度更高，同時(shí)加在光電二極管上的偏置電壓比典型電路要小。從Pspice仿真的結(jié)果來看，我們的分析是正確的，對(duì)于同樣的通頻帶增益和電阻精度標(biāo)準(zhǔn)，新的電路具有更小的偏置電壓。

參考文獻(xiàn)

[1]胡昌寶，何振江，胡仁義，唐紫晶.長光程吸收光譜空氣質(zhì)量監(jiān)測方法問題分析[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2008（03）：

64-66.

[2]吳國慶，畢衛(wèi)紅，呂佳明，付廣偉.近紅外透射和紫外吸光度法檢測水質(zhì)化學(xué)需氧量的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011（06）：1486-1489.

[3]朱運(yùn)東.光電檢測技術(shù)在煤炭產(chǎn)業(yè)中的適用性探究[J].煤炭技術(shù)，2013（11）：278-279.

[4]繆璐，劉仲明，張水華.SPR生物傳感器在臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006（08）：36-37.

[5]宋濤，張斌，羅倩倩.光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2010（06）：46-48.

作者簡介

叢夢龍（1983-），男，滿族，內(nèi)蒙古通遼人，講師，博士，2011年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)工作于內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要從事光電信息檢測及自動(dòng)控制方面的研究。

孫丹丹（1983-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助教，碩士，2009年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)工作于內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要從事模糊邏輯及嵌入式開發(fā)方面的研究。endprint

摘 要 為了對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行提取，設(shè)計(jì)了具有100dB通頻帶增益的跨阻放大電路，并針對(duì)一般光電檢測電路存在的直流偏置現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，提出了利用T形電阻網(wǎng)絡(luò)代替孤立反饋電阻的新型電路結(jié)構(gòu)。利用Pspice軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明引入T形反饋電阻網(wǎng)絡(luò)在抑制光電檢測電路直流偏置方面具有顯著的效果。

關(guān)鍵詞 電阻網(wǎng)絡(luò)；光電檢測電路；抑制作用

中圖分類號(hào)：TN29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）08-0042-02

光電檢測具有非凡的意義，在許多科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用場合中，物質(zhì)的定量或定性分析往往可以通過對(duì)光強(qiáng)度信號(hào)的檢測來實(shí)現(xiàn)。利用紅外光譜吸收的原理，可以對(duì)空氣中的特定組分進(jìn)行濃度監(jiān)測[1]；采用近紅外透射和紫外吸光度法可以檢測水質(zhì)的化學(xué)需氧量，進(jìn)而對(duì)水體受到有機(jī)物污染的程度作出評(píng)價(jià)[2]。電光傳感的方法可以運(yùn)用在煤礦采掘的過程中，利用光電探測器對(duì)煤炭開采環(huán)境進(jìn)行溫度、濕度、以及包括甲烷、一氧化碳在內(nèi)的各種礦井氣體的含量進(jìn)行定標(biāo)[3]；在醫(yī)學(xué)上，基于光電檢測原理的SPR生物傳感器能夠準(zhǔn)確、靈敏、快速、簡便地檢測多種生化指標(biāo)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測生物分子間的相互作用[4]。光電二極管具有響應(yīng)波段廣、線性度高、穩(wěn)定度好、重量輕及成本低廉等特點(diǎn)，在光照的有無、強(qiáng)度，位置和顏色等特性[5]的監(jiān)測方面應(yīng)用十分普遍。

Pspice是一款利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)電路模擬仿真的軟件。在實(shí)際的電路布局布線之前，可以利用Pspice對(duì)電路性能進(jìn)行預(yù)測分析，電子計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)完成對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用各種儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測試。仿真分析之前，用戶根據(jù)自己不同的側(cè)重點(diǎn)來設(shè)定不同的參數(shù)，而仿真過程中，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀的頻譜分析功能，獲得電路的頻率響應(yīng)，或者像示波器一樣，測試電路的瞬態(tài)時(shí)間—電壓波形，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、Monte Carlo統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等，綜合各種功能，可以全面考慮系統(tǒng)整體性能，使效果最優(yōu)。

1 光電二極管放大電路

1）典型電路。

常用的光電二極管放大電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。虛線框內(nèi)是光電二極管PD的電路模型，它包含一個(gè)普通的二極管D1、一個(gè)光生電流源IL、結(jié)電阻RD以及結(jié)電容CT。Rf決定了電路的放大倍數(shù)，補(bǔ)償電容Cf可以防止在高頻區(qū)域可能產(chǎn)生的自激振蕩現(xiàn)象。運(yùn)放同相端接入的電阻RC為補(bǔ)償電阻，可以減弱運(yùn)放輸入電流引起的偏置效應(yīng)。運(yùn)放的反相輸入電流IB-流過Rf時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出偏置分量，IB-Rf。為了對(duì)微弱的光信號(hào)進(jìn)行檢測，通常與光電二極管配合的Rf阻抗都比較大，進(jìn)而偏置量很顯著，而且由于IB-的溫度系數(shù)，這個(gè)偏移量會(huì)表現(xiàn)出很大的溫度漂移。為了補(bǔ)償這個(gè)偏移量，應(yīng)該使RC與Rf相等，此時(shí)同相端產(chǎn)生的偏移量為-IB+RT，正好與反相端的偏移量抵消。在這種電路結(jié)構(gòu)中，剩余的直流偏置誤差取決于放大器輸入電流之間的匹配誤差和電阻Rf、RC的匹配誤差，和未加入RT時(shí)相比，直流偏置電壓將減小5～10倍。

然而，新增加的RC會(huì)形成一個(gè)加在光電二極管上的電壓，這樣就引入了一個(gè)新的偏置誤差源頭。同相端的補(bǔ)償電壓IB+RC也施加在光電二極管上，產(chǎn)生的漏電流ID為

（1）

其中，IR為光電二極管的反向飽和電流；Vt為半導(dǎo)體材料的結(jié)電壓。對(duì)于硅來說，Vt=25.7 mV，只要100 mV的電壓加到二極管上，ID就會(huì)完全飽和。ID流過Rf產(chǎn)生一個(gè)輸出偏置分量IDRf?？紤]到這個(gè)偏置分量，若Rf與RT完全相等，則總偏置可以寫為

（2）

當(dāng)使用高靈敏度的光電二極管時(shí)，大面積的光敏面會(huì)產(chǎn)生比較大的漏電流，此時(shí)為了抵消運(yùn)放輸入電流引起的偏置電壓，反而產(chǎn)生了由光電二極管漏電流引起的更大的偏置電壓，這是典型電路的不足之處。

圖1 典型的光電二極管放大電路結(jié)構(gòu)

2）電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

用T形電阻網(wǎng)絡(luò)代替Rf，得到的電路如圖3所示。如果T型網(wǎng)絡(luò)的等效電阻值Req與圖1的Rf相等，則它們可以實(shí)現(xiàn)相同的放大倍數(shù)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)電阻與圖1中的電阻Rf滿足關(guān)系

（3）

此時(shí)，可以用遠(yuǎn)小于Rf的RfT來實(shí)現(xiàn)同樣的跨阻增益，而為了與RfT匹配所引入的RCT也遠(yuǎn)小于圖1中的RC。當(dāng)匹配電阻與RfT相等時(shí)，得到的總偏置電壓為

（4）

表面上看，新的總偏置電壓與公式2中的一致，但實(shí)際上新的總偏置電壓要比公式2中的小得多。首先，因?yàn)檠a(bǔ)償RfT的RCT小于補(bǔ)償Rf的RC，因此施加在光電二極管上的電壓也小，進(jìn)而新的漏電流IDT要小于典型電路中的漏電流ID。其次，由于T形網(wǎng)絡(luò)中三個(gè)電阻的阻值遠(yuǎn)小于Rf，因此匹配誤差減小，RCT與RfT匹配的程度要遠(yuǎn)好于RC與Rf匹配的程度。

圖2 引入T形電阻網(wǎng)絡(luò)的光電二極管放大電路

3）軟件仿真。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)檢測的目的，所選擇的光電二極管必須具有較高的靈敏度，而為了減小運(yùn)算放大器引起的偏置電壓，應(yīng)該選擇由場效應(yīng)管作為輸入端的運(yùn)放，以減小其輸入偏置電流。綜合以上考慮，我們選取日本濱松公司的S1223型硅光電二極管（結(jié)電容為100pF，結(jié)電阻為5 GΩ）和美國TI公司的LMH6642型低輸入偏置電流運(yùn)算放大器，在Pspice環(huán)境中搭建了電路，并選取合適的電阻值，使典型電路與改進(jìn)型電路具有相同的100dB的跨阻增益值。此時(shí)Rf=100 kΩ，而電阻網(wǎng)絡(luò)中的阻值組合不是唯一的，1種選擇是RfT=4.5 kΩ，R1=4 kΩ和R2=197 Ω。

接下來，對(duì)兩個(gè)電路分別進(jìn)行了時(shí)域分析，仿真時(shí)間設(shè)定為1 s，仿真步長為1 ms。為了模擬真實(shí)的電路設(shè)計(jì)，假設(shè)電阻的匹配精度為1%，則實(shí)際的RC取值范圍是99 kΩ至101 kΩ，而RCT的取值范圍是4.55 kΩ到4.46 kΩ。在兩種電路中分別取最差的匹配情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1所示。

2 結(jié)論

本文分析了典型的由孤立電阻作為反饋元件的光電檢測電路的直流偏置電壓來源。產(chǎn)生的原因主要有兩點(diǎn)，一是運(yùn)算放大器同相與反相輸入電流的不對(duì)稱性；二是光電二極管的漏電流。當(dāng)需要檢測微弱光信號(hào)時(shí)，由于光電二極管的漏電流比較大，且反饋電阻阻值也很大，因此典型結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電阻可能會(huì)引入更大的偏置。為解決這一問題，我們引入T形電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)原有電路進(jìn)行了變形，由于T形網(wǎng)絡(luò)中的阻值較小，因而同相與反相端電阻匹配程度更高，同時(shí)加在光電二極管上的偏置電壓比典型電路要小。從Pspice仿真的結(jié)果來看，我們的分析是正確的，對(duì)于同樣的通頻帶增益和電阻精度標(biāo)準(zhǔn)，新的電路具有更小的偏置電壓。

參考文獻(xiàn)

[1]胡昌寶，何振江，胡仁義，唐紫晶.長光程吸收光譜空氣質(zhì)量監(jiān)測方法問題分析[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2008（03）：

64-66.

[2]吳國慶，畢衛(wèi)紅，呂佳明，付廣偉.近紅外透射和紫外吸光度法檢測水質(zhì)化學(xué)需氧量的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011（06）：1486-1489.

[3]朱運(yùn)東.光電檢測技術(shù)在煤炭產(chǎn)業(yè)中的適用性探究[J].煤炭技術(shù)，2013（11）：278-279.

[4]繆璐，劉仲明，張水華.SPR生物傳感器在臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006（08）：36-37.

[5]宋濤，張斌，羅倩倩.光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2010（06）：46-48.

作者簡介

叢夢龍（1983-），男，滿族，內(nèi)蒙古通遼人，講師，博士，2011年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)工作于內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要從事光電信息檢測及自動(dòng)控制方面的研究。

孫丹丹（1983-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助教，碩士，2009年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)工作于內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要從事模糊邏輯及嵌入式開發(fā)方面的研究。endprint