江 婷,李 勝,高閩光,童晶晶,李 妍

(1.中國科學院安徽光學精密機械研究所環(huán)境光學與技術重點實驗室,安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學,安徽 合肥230026)

1 引 言

隨著紅外光譜技術的飛速發(fā)展,紅外光譜儀在大氣環(huán)境監(jiān)測、軍事以及醫(yī)學等領域得到更加廣泛的應用。在紅外光譜儀的設計中,探測器的信號檢測電路是光譜儀的重要組成部分,該部分電路包括前置放大電路,濾波電路以及信號采集電路。其中,前置放大電路是對探測器輸出信號的預處理,主要實現(xiàn)對干涉紅外光后產生的微弱電信號的接收以及低噪聲放大,該部分電路的性能直接關系著儀器的最小可測功率、信噪比、動態(tài)范圍等重要參數(shù)。因此,為了發(fā)揮紅外探測器的最佳性能并將信號放大到易于處理的電平需要設計低噪聲高增益的前置放大電路。

通常,設計匹配的前置放大電路主要包括偏置方法的選擇,耦合網絡的設計,阻抗匹配結構的設計以及低噪聲放大電路的設計。目前,E.L.Dereniak等人[1]設計了一種低噪聲MOSFET反饋電路,通過前放的輸出反饋來設定最佳偏置電壓并提高了探測性能。陳興梧等人[2]在分析光電導探測器工作原理的基礎上對幾種偏置電路的性能進行了對比分析,并設計了采用無噪聲偏置電路的前置放大電路大大降低了電路噪聲。李大宇等人[3]針對多元HgCdTe探測器在應用過程中出現(xiàn)的串音干擾提出了一種高阻抗的前置放大電路,較好的抑制了電串音的干擾。以上研究主要側重于低噪聲電路設計并沒有針對實際的應用需求設計匹配的前置放大電路,因此,在此基礎上本文圍繞實驗室所用的制冷型碲鎘汞光電導探測器為依據(jù),設計了一種以窄帶濾波法為核心的恒流偏置型的低噪聲前置放大電路,并且建立等效噪聲模型分析電路的噪聲性能,最后通過理論分析結合仿真實驗驗證電路在微弱信號檢測方面的性能。

2 電路設計方案

實驗所用為#15-51983系列的碲鎘汞光電導型探測器,波長響應范圍為2.5～16 μm,探測器等效電容為17 pF且由液氮制冷達到降低探測器噪聲的目的,干涉光信號的處理流程如圖1所示。

圖1 干涉光信號處理流程

探測器將經過干涉儀得到干涉光信號接收并轉化為電信號,感光后輸出的微變交流電流信號在微安量級,而探測器工作時產生的噪聲電流是毫安級完全淹沒了有用信號。因此,要考慮抑制噪聲干擾的同時實現(xiàn)對有用信號的低噪聲放大處理,針對本實驗的前置放大電路設計主要包括偏置電路以及放大電路的設計。

2.1 偏置電路的設計

由于光電導型探測器正常工作時需要提供偏置電壓,而不同的偏置方式對探測器性能又有很大影響。在設計偏置電路時要綜合考慮探測器的響應率、信噪比以及偏置電路的噪聲等因素,并且要求電路噪聲要遠低于探測器的本底噪聲[4-6]。因此,綜上所述要合理設計與探測器相匹配的偏置電路。目前基于光電導型探測器的偏置電路有恒流源式,恒功率式以及恒壓式偏置[4-6],其中恒流偏置的信噪比較高且適用于探測器內阻較小的情況,由于本文所用探測器內阻較小為80 Ω,所以考慮采用恒流偏置電路。設計的偏置電路如圖2所示。

圖2 光電導探測器的偏置電路

探測器內阻為Rd,三極管選用小功率、電流特性好且增益較高的達林頓NPN型晶體管2N2222,由R7,C13構成的低通濾波器的截止頻率為:f=1.59 Hz可以濾除工頻干擾。變阻器R6可以調節(jié)三極管的工作狀態(tài)使三極管工作在放大區(qū),從而獲得較為理想的輸出偏置電壓Ve,得到基級電壓Vb與基級電流Ib的關系為:

(1)

其中,Vcc為直流電源電壓;Rx為滑動變阻接入基級電路的部分可變電阻。令P為探測器的最大功耗,R10為偏置電阻,Rd為探測器暗電阻,可得探測器偏壓與功耗滿足:

(2)

則可進一步得到探測器輸出電壓為:

(3)

2.2 前置放大電路設計

前置放大電路的設計需要考慮運放電路的選擇,負反饋的形式,噪聲匹配以及合理的有源無源器件選用等技術問題[7]。本文所用的探測器在正常工作狀態(tài)下需要分辨的最小電流信號為1 μA完全淹沒于噪聲當中,所以需要設計低噪聲高增益的前置放大電路。為了滿足高增益的需求前置放大電路采用兩級放大的形式,第一級采用補償后的微分電路結構完成I-V轉化,第二級采用T型電阻反饋網絡。因此,綜合考慮選用低噪聲超精密的高速運放AD797對信號進行I-V轉換,后級采用另一款高速精密的低噪聲運放OP37實現(xiàn)無失真放大。兩級放大電路之間采用交流耦合的方式,從而使各個靜態(tài)工作點之間互相獨立,并且可以減少信號的損耗以及溫漂的情況。

常用的電流轉換成電壓的方法會影響轉換精度,因此本文考慮采用通過結合運放的電阻反饋法實現(xiàn)I-V轉換的同時兼顧轉換精度。設計的電路如圖3所示。

圖3 微分運放電路

(4)

二級放大電路與一級不同的是該級主要考慮放大器的增益,噪聲以及溫度漂移等重要性能指標。

采用傳統(tǒng)的比例運放電路會引起較大誤差,主要是由于運放輸出電壓受到偏置電流、失調電壓、失調電流,以及溫度漂移等因素的影響。此外,為了獲取較高增益的同時需要阻值較大的反饋電阻,而反饋電阻過大會引入較大的熱噪聲,容易將被測信號淹沒,因此考慮采用電壓增益高且反饋阻值較低的T型反饋網絡來改進反饋電路的結構。設計的二級運放電路如圖4所示。

圖4 T型電阻反饋網絡比例運放

電路采用R4,R8,R9構成T型電阻反饋網絡,其中R11為運放的輸入電阻,R9為具有50 kΩ的可變電阻實現(xiàn)了增益可調,同時該電路相比于比例運放降低了反饋電阻的大小從而降低了電阻熱噪聲的影響。利用Y-△變換分析可知[8],增益為:

(5)

二級放大電路具有1至1000倍的可調增益,擴大了電路的動態(tài)范圍。總體電路如圖5所示。

圖5 紅外探測器前置放大電路

3 前置放大電路的噪聲分析

微弱信號檢測的目的是從噪聲中提取被測信號,因此,分析運放電路的的噪聲性能是很有必要的。由于運放內部包含大量的噪聲源,如果每個都進行單獨分析將會是一項非常復雜的工作,考慮采取廣義的噪聲概念[9-10]來對電路噪聲進行分析。本文采用典型的EN-IN噪聲模型進行分析,EN-IN噪聲模型如圖6所示。

圖6 等效噪聲電路

采用上述的噪聲分析模型,本文的前置放大電路的等效噪聲電路如圖7所示。

圖7 前置放大電路的等效噪聲電路

圖中,Rd為探測器內阻,ep與in為運放輸入端的等效噪聲電壓與噪聲電流,對于電阻可以等效為一個理想的無噪聲電阻串聯(lián)一個電壓源作為噪聲模型。對于噪聲電壓源的均方根為:

(6)

其中,k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學溫度(K);R為電阻值(Ω);Δf是噪聲帶寬(Hz)。

第一級運放電路的噪聲將從以下幾個方面去分析,包括運放的噪聲電流流過電阻產生的噪聲,電阻的熱噪聲以及運放的輸入電壓噪聲。將這些噪聲相加,再結合運放的噪聲增益即可得出一級運放電路的輸出噪聲。分析可得:

電路中電阻的熱噪聲為:

(7)

噪聲電壓源產生的噪聲為:

(8)

噪聲電流源產生的噪聲為:

(9)

計算可得第一級放大電路產生的總噪聲為:

(10)

第二級放大電路產生的噪聲分析方法與第一級的跨阻電路分析相似,為方便分析這里應用星型電阻網絡與三角形電阻網絡的等效變換[11]且取RP2等于R9便于計算,同理可得第二級放大電路產生的總噪聲為:

(11)

=2.1274×10-6V

(12)

由上述公式計算可得,檢測電路的噪聲電壓主要來源于探測器產生的噪聲電壓以及前置電路中的第一級運放電路產生的噪聲,因此,在探測器的選擇,運放電路的設計以及元器件的選型方面都會對檢測電路的噪聲性能產生影響。已知檢測電路輸出端的總噪聲電壓為2.1274×10-6V,可知其等效到輸入端可檢測的電流為2.659×10-8A。

=80.203 dB

(13)

可知探測器在輸出信號微弱的情況下,通過合理的調整偏置電壓以及電路增益可實現(xiàn)有用信號的低噪聲放大并獲得較高的信噪比。

4 信號調理實驗結果與分析

仿真時取探測器等效的光電激勵信號1 μA,信號頻率為1 kHz,探測器的源電阻設置為80 Ω,偏置電阻為1 kΩ。對于該電路的仿真,選取了Tina軟件以及加拿大IIT公司的mulitisim仿真軟件,用戶可以根據(jù)設計的電路對選擇相應的元器件以及對參數(shù)進行設計。

在Tina軟件下進行模擬仿真,當輸入為1 kHz的正弦波信號時,仿真得到了電路的幅頻響應曲線和相頻響應曲線如圖8所示。

(a)中頻頻率

(b)上限頻率

可知當激勵源保持不變時,該電路表現(xiàn)出很好的低通特性,且調節(jié)輸出信號幅度降到峰值幅度的0.707倍時,記錄信號的頻率,可得到-3 dB帶寬為2 MHz,滿足實驗室所用的帶寬。分析相頻特性曲線,可知在工作帶寬內都可以保持穩(wěn)定,即不會發(fā)生自激振蕩。

(a)第一級放大電路圖

(b)第二級放大電路圖

由圖9(a)和圖9(b)可知,經過放大后輸出信號幅度可達22.725 mV,增益為87.13 dB,可知仿真結果與理論計算值基本相符合。

噪聲分析一般是在交流狀態(tài)下分析的,電路所計算的噪聲主要是電阻的熱噪聲以及半導體器件的散粒噪聲和閃爍噪聲。對所設計的電路圖進行信噪比分析,得出的仿真波形圖如圖所示?？芍陬l率為1 kHz,輸入不變的情況下,信噪比約為77.68 dB,仿真結果與理論電路的信噪比存在一定的偏差,主要是在仿真過程中仿真結果取決于電子器件模型的精度,模型中的器件性能參數(shù)與實際器件手冊中的參數(shù)存在一定的偏差。

圖10 信噪比曲線

5 結 論

本文通過分析實驗室紅外探測器輸出信號的特性以及應用需求,設計了應用于光電導探測器的恒流型偏置電路以及具有可調增益的低噪聲前置放大電路。實際測試表明,在標準工作條件下測得該部分電路具有2 MHz的帶寬可以滿足實驗需求,可探測10-8A量級的微變交流信號,具有較高的信噪比可以有效抑制噪聲。值得注意的是,為了進一步提高電路的性能還要對電路板設計,電磁兼容以及接地方式等進行更深入的研究。