李常青，楊曉婭

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

引言

微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信息進(jìn)行檢測(cè)的一門(mén)新興檢測(cè)技術(shù)，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療及科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1-2］。對(duì)于微弱的光信號(hào)來(lái)說(shuō)，一般先通過(guò)光電二極管把微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將調(diào)制到光載波上的有用信號(hào)解調(diào)出來(lái)［3-4］。通常一些信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬的信號(hào)（如雷達(dá)、聲吶），一般線性放大器無(wú)法處理，且在保證分辨率的情況下要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有較高的位數(shù)。尤其對(duì)于微弱光信號(hào)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)信號(hào)與噪聲在強(qiáng)度上幾乎處于同一數(shù)量級(jí)，給信號(hào)的檢測(cè)帶來(lái)很大的難度［5-7］。常用的一些微弱信號(hào)檢測(cè)方法中需要用到諸如鎖相放大器等儀器，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴［8］?；趯?duì)數(shù)放大器輸入輸出成對(duì)數(shù)關(guān)系，可以對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行壓縮變換再處理［9-11］。本文利用對(duì)數(shù)積分放大的原理設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的微弱光檢測(cè)電路，整體電路由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采樣及結(jié)果的處理，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。

1 電路設(shè)計(jì)分析

1．1 前置放大電路

光電轉(zhuǎn)換的基本原理是當(dāng)被測(cè)光照射到光探測(cè)器上時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換電路需要考慮的是：光電二極管、運(yùn)算放大器和R∥C反饋網(wǎng)絡(luò)。在微弱光檢測(cè)中，光電二極管是光電轉(zhuǎn)換的主要器件，其靈敏度和響應(yīng)速度決定了檢測(cè)系統(tǒng)的精度和工作速度。常用的光電二極管種類(lèi)很多，本文采用了具有較高靈敏度和較低的暗電流的PN型（S1227-66B）和PIN型（LFSPD-2500）2種硅光電二極管作為光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出。

由于微弱光檢測(cè)中輸入光功率通常在nW量級(jí)以下，對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器輸出光電流一般nA量級(jí)，因此要求前置放大器具有低輸入噪聲并能夠響應(yīng)小輸入偏置電流的特性。本設(shè)計(jì)中前置放大電路的運(yùn)算放大器使用了具有低偏置電流和低輸入噪聲的高精度運(yùn)算放大器OPA111。

圖1 前置放大電路Fig．1 Schematic of preamplifier circuit

圖1 所示為硅光電二極管的光電轉(zhuǎn)換及前置放大原理圖。PN光電二極管工作在零偏置狀態(tài)，理論分析可知，當(dāng)電路工作在良好的線性條件下時(shí)，輸出電壓為

式中：Isc表示光照下光電二極管產(chǎn)生的光電流；S表示光電二極管的靈敏度；P表示入射光功率；R1一般取數(shù)百M(fèi)Ω。電路中C1通常選取10pF左右，主要為了防止電路自激振蕩和高頻干擾，但同時(shí)限制了電路的帶寬。

PIN光電二極管工作在反向偏壓狀態(tài)下，其光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與PN光電二極管一致，只需要給PIN光電二極管加反向偏置電壓，其結(jié)電容會(huì)隨反向偏壓的增加而降低，從而提高響應(yīng)速度。

1．2 對(duì)數(shù)積分放大器

弱光入射下，前置放大電路的輸出通常只有mV量級(jí)，因此需要低噪聲放大器將信號(hào)進(jìn)一步放大處理。對(duì)數(shù)積分放大器具有對(duì)數(shù)放大器的放大及壓縮信號(hào)范圍的作用，同時(shí)又具有積分放大器的放大及消除紋波干擾的作用。本設(shè)計(jì)中，對(duì)數(shù)積分放大電路如圖2所示，對(duì)數(shù)放大部分由對(duì)稱(chēng)三極管A39及精密運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成；積分放大部分由OP07及單片機(jī)控制的SPST模擬開(kāi)關(guān)DG201ABK構(gòu)成；其中電容C2和C3用于相位補(bǔ)償，保證閉環(huán)工作的穩(wěn)定性。

由于對(duì)數(shù)放大電路中2只三極管的性能參數(shù)相同，對(duì)數(shù)放大電路輸入輸出電壓的關(guān)系為

式中：Uref為對(duì)數(shù)放大電路的輸入?yún)⒖茧妷?；VT為溫度的電壓當(dāng)量，其大小隨溫度變化而變化，為減小溫度變化產(chǎn)生的誤差，R7選用正溫系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償。

積分放大電路的充放電在單片機(jī)信號(hào)控制下交替進(jìn)行。有光照時(shí)，開(kāi)關(guān)S1閉合，S2打開(kāi)，積分器工作，對(duì)數(shù)放大電路輸出的信號(hào)電壓通過(guò)R11、C11逐漸累積放大并輸出；沒(méi)有光照時(shí)，S1打開(kāi)，S2閉合，C11上積累的電荷通過(guò)R13迅速放電，輸出信號(hào)回到零，以便進(jìn)行下一個(gè)過(guò)程。積分器輸出的電壓為

若式中各電阻阻值、電容C11、參考電壓Uref及光電二極管的靈敏度S均為常數(shù)，則有：

式中a＝S×P／Uref?？梢?jiàn)電路的輸出電壓由入射光功率的對(duì)數(shù)變換和積分時(shí)間決定。

圖2 對(duì)數(shù)積分放大器原理圖Fig．2 Schematic of logarithmic integrator amplifier

2 測(cè)試結(jié)果及分析

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，電路供電電源為±10V，測(cè)試光源為直流供電的紅色發(fā)光二極管，其發(fā)光功率為5mW。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)光二極管與光電二極管的距離調(diào)節(jié)入射光功率，入射光頻率通過(guò)斬光器進(jìn)行調(diào)制。

圖3所示為入射光功率為0．5nW，頻率為10Hz時(shí)電路各部分的輸出波形。圖中波形①為前置放大器輸出波形；②為對(duì)數(shù)放大器輸出波形；③為積分放大器輸出波形。由圖3的結(jié)果可知，前置放大器輸出的信號(hào)很弱（mV級(jí)）且伴隨有很強(qiáng)的高頻干擾；經(jīng)對(duì)數(shù)放大器后，輸出信號(hào)達(dá)到數(shù)百mV且波形大大改善；在經(jīng)積分放大處理后，干擾信號(hào)的影響被消除，其輸出信號(hào)電壓值也被放大到較容易進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理的大小。

圖3 電路輸出波形圖Fig．3 Output waveforms of circuit

為研究電路的入射光功率的輸出特性，在固定入射光頻率（10Hz）情況下，分別測(cè)量了2種光電二極管（PN型和PIN型）作為光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，電路輸出電壓隨入射光功率變化時(shí)的特性，其測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 入射光功率的輸出特性Fig．4 Output characteristics under different incident light powers

圖4 所示的測(cè)量結(jié)果顯示，2種光電二極管的輸出基本一致，均隨入射光功率的減小而減小。且在入射光功率變化約100倍時(shí)，電路輸出的變化只有5倍左右，即對(duì)輸入信號(hào)范圍具有壓縮功能。由輸入輸出關(guān)系可知，電路的輸出主要決定于入射光功率的對(duì)數(shù)變換和電路的積分時(shí)間，因此可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更寬范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

圖5 入射光頻率的輸出特性Fig．5 Output characteristics under different incident light frequencies

為進(jìn)一步研究電路的輸出特性，在固定入射光功率（0．5nW）的條件下，測(cè)量了2種光電二極管（PN型和PIN型）作為光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)電路輸出隨入射光頻率變化的特性，其結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，PN型光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，其靈敏度比PIN光電二極管高，因此，在入射光頻率低于20Hz時(shí)，其輸出值較大。但隨入射光頻率的增加，輸出近似線性下降（頻率由10Hz增至50Hz時(shí)，輸出值下降了約90%）。PIN型光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，在頻率由10Hz增至40Hz時(shí)，輸出下降了約50%；而在輸入光頻率40Hz～50Hz范圍，輸出基本沒(méi)有變化。這主要是由于光電流的建立需要時(shí)間，PN型光電二極管的結(jié)電容較大，隨著入射光頻率增加光電流的建立時(shí)間變短，信號(hào)輸出減??；而PIN型光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，結(jié)電容較小增加了響應(yīng)速度。

為驗(yàn)證電路的實(shí)用性，在入射光功率0．5nW與入射頻率10Hz的條件下，分別利用2種光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，測(cè)量了發(fā)光二極管的發(fā)光光譜，其測(cè)量結(jié)果如圖6所示。測(cè)量結(jié)果表明，2種光電二極管檢測(cè)到的光譜與實(shí)際光譜基本一致，具有相同的峰值波長(zhǎng)。但由于2種光電二極管的光譜響應(yīng)靈敏度有所不同，測(cè)量到的紅色LED光譜圖略有差異，如果對(duì)輸出進(jìn)行光譜矯正，可能會(huì)有更好的結(jié)果。

圖6 紅色發(fā)光二極管光譜圖Fig．6 Red LED spectrum

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用對(duì)數(shù)積分放大的原理設(shè)計(jì)制作了一種微弱光信號(hào)檢測(cè)電路。利用2種不同特性的硅光電二極管對(duì)電路的入射光功率及頻率輸出特性進(jìn)行了測(cè)量和分析，電路輸出波形顯示，電路對(duì)高頻噪聲具有良好的降噪能力。對(duì)發(fā)光二極管發(fā)光光譜的實(shí)際測(cè)量與對(duì)比的結(jié)果表明，輸出結(jié)果與參考光譜基本一致，在實(shí)際的弱光檢測(cè)中達(dá)到較理想的效果。在實(shí)際制作及測(cè)量過(guò)程中，為使電路系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有良好的降噪能力，可以通過(guò)光纖等引入光信號(hào)以避免工頻干擾，使電路達(dá)到理想的效果。

［1］ Li Changqing，Mei Xinli，Ming Qi．Implementation of weak optical signal detection circuit［J］．Journal of Applied Optics，2010，31（5）：724-727．李常青，梅欣麗，明奇．微弱光信號(hào)檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)［J］．應(yīng)用光學(xué)，2010，31（5）：724-727．

［2］ Yu Hongshan．Study of the large dynamic range logarithmic amplifier［D］．Guiyang：Guizhou University，2009：5-12．俞紅珊．一種大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器的研究［D］．貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2009：5-12．

［3］ Zou Yan，F(xiàn)eng Lishuang，Zhang Chunxi，et al．The application of lock-in amplifier in the detection of weak signal［J］．Electronic Measurement ＆ Instrumentation，2005，42（11）：15-17．鄒燕，馮麗爽，張春熹，等．鎖定放大器在微弱光信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．電測(cè)與儀表，2005，42（11）：15-17．

［4］ Li Fangfang．Research of weak signal detection and collection techniques［D］．Harbin：Harbin Institute of Technology，2006：3-17．李方方．微弱信號(hào)檢測(cè)與采集技術(shù)的研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006：3-17．

［5］ Ajuria F O．Weak light detection using an organic，photosensitive component：Germany，WO2012175505（A1）［P］．2012-12-27．http：／／dbpub．cnki．net／grid 2008／dbpub／detail．

［6］ Gu M，Chakrabartty S．Design of a programmable gain，temperature compensated current-input current-output CMOS logarithmic amplifier［J］．IEEE，2013，4（6）：1-9

［7］ Ding L，Wang M J，LI Y Q，et al．Weak light characteristics of a new photoelectric sensor with potential biosensor application［C］．Suzhou：IEEE Computer Society，2013：1261-1264．

［8］ Gao Jinzhan．Weak signal detection［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2002：154-197．高晉占．微弱信號(hào)檢測(cè)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2002：154-197．

［9］ Cai Li，Ma Xikui．Analysis and improvement of logdomain integrators based on transistor nonidealities［J］．Journal of China Institute of Communications，2003，24（5）：105-113．蔡理，馬西奎．基于晶體管非理想特性的對(duì)數(shù)域積分器分析與改進(jìn)［J］．通信學(xué)報(bào)，2003，24（5）：105-113．

［10］ Groiss S，Koberle M．A high accurate logarithmic amplifier system with wide input range and extreme low temperature coefficient［C］．Grenoble，F(xiàn)rance：IEEE，2005：283-286．

［11］ Acciari G，Giannini F，Limiti E．Theory and performance of parabolic true logarithmic amplifier［J］．Circuits，Devices and Systems，IEEE Proceedings，1997，144（4）：223-228．