鄭培超，李 海，朱思蒙，鄭昆朋，顏勃汶，張秦望，劉一帆，王禮陽(yáng)，王金梅

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引言

光離子化檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種快速檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds，VOCs)的方法，它利用真空紫外燈產(chǎn)生的高能量紫外線(xiàn)輻射對(duì)電離室的VOCs氣體分子進(jìn)行轟擊并使其電離，在電極板間產(chǎn)生帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，產(chǎn)生的電子和離子在高壓電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，從而在極板間產(chǎn)生微弱電流信號(hào)［1］。氣體的濃度越高，電離產(chǎn)生的正負(fù)粒子越多，極板間電流越大，所以通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)，就可以獲得進(jìn)入電離室的揮發(fā)性有機(jī)物濃度。

根據(jù)光離子化技術(shù)的原理，電離后VOCs離子在電場(chǎng)的加速下轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，由于該電流信號(hào)非常微弱，一般為pA量級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。而對(duì)于微弱電流信號(hào)的放大電路，尤其是在I－V轉(zhuǎn)換部分，為了材料選型方便，通過(guò)較小的阻值獲得較高的靈敏度，常采用 T型網(wǎng)絡(luò)電阻代替超高阻［2－5］。然而這樣的設(shè)計(jì)將會(huì)產(chǎn)生更大的輸出噪聲，整個(gè)電路得不到良好的信噪比。本文設(shè)計(jì)出一種高信噪比、低功耗，適合電池供電的便攜式設(shè)備的微弱信號(hào)檢測(cè)電路。通過(guò)理論分析與模擬仿真相結(jié)合的方法對(duì)反饋電阻、反饋電容以及不同結(jié)構(gòu)的前置放大電路輸出端噪聲特性進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)計(jì)出信噪比更高、受共模信號(hào)干擾更小的前置放大電路。為了使整個(gè)系統(tǒng)搭載在便攜式的設(shè)備上，本文對(duì)濾波、次級(jí)電壓放大、運(yùn)放雙極性電源等部分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 微弱信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的用于光離子化檢測(cè)器的微電流檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括前置放大電路、后級(jí)電壓信號(hào)處理電路和運(yùn)放雙極性電源電路。紫外燈光電離時(shí)產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，得到較大的電壓信號(hào)，然后通過(guò)后級(jí)電壓信號(hào)處理電路進(jìn)行濾波和次級(jí)電壓放大，得到更容易被示波器或MCU等微處理器采集的電壓信號(hào)。運(yùn)放雙極性電源電路將9 V電源電壓轉(zhuǎn)換為±4.5 V的電壓信號(hào)，對(duì)整個(gè)檢測(cè)電路運(yùn)放進(jìn)行供電。

圖1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)框圖

1.1 前置放大電路的設(shè)計(jì)

噪聲是微弱信號(hào)放大中最為關(guān)心的問(wèn)題，而對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)，通常需要多級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)。在所有多級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)的放大系統(tǒng)中，設(shè)各級(jí)放大器的噪聲系數(shù)分別為F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)M，對(duì)應(yīng)的功率增益分別為K1，K2，…，KM，則整個(gè)系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)F為

式(1)即為弗里斯公式［6］。

式(1)說(shuō)明，級(jí)聯(lián)放大電路中各級(jí)放大電路的噪聲系數(shù)對(duì)總噪聲系數(shù)的影響是不同的，越是前級(jí)的影響越大。所以，對(duì)于前置放大電路部分的噪聲控制則顯得至關(guān)重要。而在電路設(shè)計(jì)中，電路的結(jié)構(gòu)、運(yùn)放的失調(diào)電壓Vos、溫漂、偏置電流Ib、輸入輸出阻抗等因素都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的噪聲，所以在運(yùn)放、反饋電阻、反饋電容、電路結(jié)構(gòu)等重要部分的選擇需要注意很多問(wèn)題。

1.1.1 I/V轉(zhuǎn)換電路中反饋電阻的選擇

由于在電離室中電離VOCs產(chǎn)生的電流信號(hào)十分微弱，需要盡可能地提高增益，使得輸出的電壓信號(hào)達(dá)到測(cè)量值。然而根據(jù)電阻的熱噪聲公式［7］:

式中:NV為電阻熱噪聲電壓有效值，V;Kb為玻爾茲曼常數(shù)，Kb=1.38×10－23J/K;T 為溫度，K;R 為電阻，Ω;B為等效噪聲帶寬，Hz。

可見(jiàn)，電壓噪聲公式中噪聲電壓的平方與電阻成正比，即電阻的阻值越大，帶來(lái)的電壓的噪聲也就越高。但是，電阻的噪聲還有一個(gè)在電流方面的表達(dá)，其公式為［8］

式中NI為噪聲電流，A。

由式(3)可以看出噪聲電流的平方是與電阻成反比的［9］。而這里需要檢測(cè)的信號(hào)是微電流，所以需要盡可能地加大反饋電阻，即使這樣電壓噪聲很大，但是除以超大反饋電阻也是很小的電流噪聲了。

1.1.2 I－V 轉(zhuǎn)換中反饋電容的選取

光電離傳感器除有極板電容外，極板與周?chē)w(各種元件甚至人體)也產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種電容稱(chēng)為寄生電容，將會(huì)引起相位滯后，容易振蕩［10］。為了模擬寄生電容對(duì)輸出信號(hào)的影響，通過(guò)TINA－9軟件對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，如圖2所示，在輸入端加入了一個(gè)容值為5 pF的電容Cin，為了更清晰地看到效果，反饋電阻R2取1 MΩ。

圖2 模擬寄生電容電路圖

圖3 給出了不同Cf電容值時(shí)的增益頻率變化特性，由圖3可以看出，反饋電阻Rf和寄生電容Cin引起的相位滯后加在運(yùn)放LMC6062的相位滯后上，在高頻范圍產(chǎn)生了凸峰，需要對(duì)其進(jìn)行相位補(bǔ)償。同時(shí)，Cf電容值變大時(shí)，曲線(xiàn)變得更加平滑。因此，為了消除振蕩，補(bǔ)償電容Cf應(yīng)足夠的大，通常根據(jù)Cin＜Cf來(lái)選擇Cf的值。但是電容Cf也不宜過(guò)大，否則將會(huì)使得響應(yīng)變慢。

圖3 補(bǔ)償電容Cf的大小對(duì)輸出電壓的增益頻率特性的影響

1.1.3 電路結(jié)構(gòu)的選擇

選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高檢測(cè)電路的信噪比十分重要。本文采用TINA－9電路仿真軟件對(duì)T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、跨阻式I－V轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)輸出噪聲進(jìn)行仿真比較。輸入端分別加入1nA/1 Hz的低頻電流信號(hào)，仿真輸出端的電壓噪聲密度，具體如圖4、圖5所示。通過(guò)兩種不同反饋結(jié)構(gòu)的前置放大電路及其輸出電壓噪聲密度曲線(xiàn)的比較(噪聲密度單位為發(fā)現(xiàn)采用T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的I－V轉(zhuǎn)換電路得到的噪聲更高，與跨阻I－V轉(zhuǎn)換電路相比，高了接近R1/(R3+1)倍。同時(shí)在使用較小電阻的T型網(wǎng)絡(luò)電阻時(shí)，根據(jù)式(2)，計(jì)算得到的單個(gè)電阻值所產(chǎn)生的電流噪聲也是較大。因此，不管是從性能還是電路復(fù)雜程度方面考慮，T型網(wǎng)絡(luò)電阻的前置電路結(jié)構(gòu)都不可取。

考慮到T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前置放大電路輸出噪聲較大，于是設(shè)計(jì)了高反饋電阻的跨阻式I－V轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)。在電路工作過(guò)程中，無(wú)論溫度變化，還是電源電壓的波動(dòng)都會(huì)引起前置放大電路中運(yùn)放的偏置電流及失調(diào)電壓的變化，其效果相當(dāng)于在輸入端加入了一個(gè)共模信號(hào)，單純的跨阻式結(jié)構(gòu)的前置電路容易受到共模信號(hào)的干擾，而差分電路結(jié)構(gòu)對(duì)共模信號(hào)有極強(qiáng)的抑制作用［11］。因此，對(duì)跨阻式I－V轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了差分輸入前置放大電路，如圖6所示。

在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，只要通過(guò)對(duì)稱(chēng)的布局布線(xiàn)，便基本可保證前置放大電路輸出端電壓不受外界溫度等環(huán)境變化影響，更易于滿(mǎn)足在惡劣環(huán)境中實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求。此電路采用了運(yùn)算放大器LMC6062，其內(nèi)部集成的2個(gè)精密運(yùn)放設(shè)計(jì)了2個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的跨阻式放大電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)2個(gè)反饋電阻后，2個(gè)精密運(yùn)放的輸出端差分電壓接入由運(yùn)算放大器ICL7650構(gòu)成的差分輸入運(yùn)算放大電路。其輸出端電壓Vout與輸入電流In滿(mǎn)足:

圖4 跨阻I－V轉(zhuǎn)換電路及輸出電壓噪聲密度

圖5 T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)I－V轉(zhuǎn)換電路及輸出電壓噪聲密度

圖6 改進(jìn)后的前置放大電路

LMC6062是一款超低功耗低輸入偏置電流的CMOS型運(yùn)算放大器，其輸入失調(diào)電壓Vos也很低，典型值為100 μV，最大為1 200 μV，輸入失調(diào)電壓平均漂移 TCVos為1.0 μV/℃，輸入偏置電流 Ib僅為10 fA，同時(shí)具有超高的輸入阻抗，所以適用于微弱電流信號(hào)的前置放大器。LMC6062功耗非常低，當(dāng)供電電壓為(5 V，0 V)時(shí)，其消耗電流僅32 μA。這對(duì)于手持式的光離子化檢測(cè)器的續(xù)航能力有所提升。這款運(yùn)放常應(yīng)用于光電二極管和紅外探測(cè)器前置放大器、傳感放大器、手持式分析儀器的放大電路中。而在差分放大電路中選擇了同樣低噪聲低輸入偏置電流的CMOS工藝運(yùn)算放大器ICL7650，相較于LMC6062，ICL7650具有更低的輸入失調(diào)電壓平均漂移，而且擁有更大的共模抑制比，適合用于差分輸入放大電路中［12］。圖6中R5、R6為反饋電阻，C7、C8分別并聯(lián)在 R5和 R6的兩端，防止產(chǎn)生自激振蕩;C1、C2、C3、C4皆為去耦電容，能夠防止電源噪聲對(duì)電路產(chǎn)生干擾;R7、R8是為了防止誤電壓加入產(chǎn)生電涌使運(yùn)放損壞。

1.2 后級(jí)電壓信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用紫外燈驅(qū)動(dòng)電源為射頻(radio frequency，RF)電源，整個(gè)微弱信號(hào)檢測(cè)部分極易受到外界的干擾，尤其是紫外燈RF驅(qū)動(dòng)電壓的影響。為了減小這種干擾，除了需要增加金屬屏蔽外殼外，還需要增加濾波電路將噪聲信號(hào)濾除掉?？紤]到本實(shí)驗(yàn)的信號(hào)接近直流，所以需要采用低通濾波器。為了獲得更好的帶負(fù)載的能力，選擇了有源低通濾波器。一階有源低通濾波器在截止頻率后的增益衰減速度為20dB/十倍頻，階數(shù)越高，其衰減速度越快［13］。本次實(shí)驗(yàn)中選用的運(yùn)放是OP07CP。這是一款低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路芯片。OP07CP具有非常低的輸入失調(diào)電壓，其典型值為60 μV，所以它在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施，同時(shí)OP07CP還具有輸入偏置電流極低(Ib=±2.2 nA)，開(kāi)環(huán)增益高，輸入阻抗高的特性，很適合應(yīng)用于傳感器微弱信號(hào)的放大，以及一些精密的濾波電路中。如圖7設(shè)計(jì)了一種具有Butterworth特性的Sally-Key型二階有源低通濾波電路，增益為1。

圖7 二階有源低通濾波電路

根據(jù)Butterworth的歸一化表確定Q值，同時(shí)由于光離子化傳感器產(chǎn)生的微弱電流接近直流，所以將低通濾波器的截止頻率設(shè)置盡可能的低，本次實(shí)驗(yàn)將其設(shè)為15 Hz左右，假設(shè)電阻R9=R10=Rf，根據(jù)式(5)～(7)可以分別求得2個(gè)濾波電容的值，再根據(jù)實(shí)際電路中電容標(biāo)稱(chēng)值選取接近所求值的電容［14］。

圖8為加濾波電路前后輸出端的信號(hào)對(duì)比圖，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有加濾波電路時(shí)，由于紫外燈驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的射頻干擾，輸出端信號(hào)的峰值已經(jīng)達(dá)到運(yùn)放電源電壓，這樣是沒(méi)法準(zhǔn)確地檢測(cè)到輸出信號(hào)的強(qiáng)度變化的。而在加入濾波電路后，輸出信號(hào)的波形改善了許多。

由于經(jīng)過(guò)I－V轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)依然很小，所以為了提高光離子化檢測(cè)器的靈敏度，需要再設(shè)計(jì)一款次級(jí)放大電路，將電壓信號(hào)進(jìn)一步放大。

AD706是一款低噪聲、低功耗的具有超低輸入偏置電流的雙極型運(yùn)算放大器，AD706內(nèi)部同樣集成了兩個(gè)獨(dú)立的高性能的運(yùn)算放大器，如圖9所示，利用AD706設(shè)計(jì)了次級(jí)電壓信號(hào)放大電路。將其內(nèi)部的一個(gè)運(yùn)放用作電壓跟隨器，電壓跟隨器作為中間級(jí)，以“隔離”前后級(jí)之間的影響，對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖;AD706中的另一運(yùn)放則用于電壓信號(hào)的放大，放大倍數(shù)由R12/R11決定;同時(shí)用于將負(fù)電壓取反，以便于后期單片機(jī)等微處理器采集。R13為運(yùn)算放大器的平衡電阻，是用來(lái)平衡運(yùn)放的兩個(gè)輸入端子的失調(diào)電流的，使得兩個(gè)端子的電壓平衡，其值約為R11與R12并聯(lián)后的總電阻。

圖8 加濾波電路前后輸出端信號(hào)對(duì)比圖

圖9 次級(jí)電壓信號(hào)放大電路

2 運(yùn)放雙極性電源電路的設(shè)計(jì)

由于此次設(shè)計(jì)的光離子化檢測(cè)器是一種便攜式設(shè)備，設(shè)備由9 V的可充電鋰電池供電，而對(duì)于小信號(hào)的放大電路常常需要雙極性電源供電，比如此次設(shè)計(jì)的放大電路中使用的運(yùn)放都是需要雙極性供電的。因此，需要設(shè)計(jì)一種將輸入的單極性電源變成具有正、負(fù)電壓輸出的雙極性電源。由于放大電路中所用到的4塊運(yùn)放都能滿(mǎn)足±4.5 V供電，因此可以設(shè)計(jì)出如圖10所示的9 V轉(zhuǎn)±4.5 V的雙極性電源電路。

對(duì)于一個(gè)運(yùn)放來(lái)說(shuō)，正負(fù)電源的反接很容易造成運(yùn)放損壞，所以需要加上一個(gè)如圖10所示的二極管D1。相較于普通的二極管，肖特基二極管具有更小的導(dǎo)通壓降，所以這里選擇了肖特基二極管1N5817。這里通過(guò)2個(gè)大電阻分壓是為了減小功耗，而使用運(yùn)放LM358則是利用其具有超高輸入阻抗的特點(diǎn)。為了使輸出端帶負(fù)載能力更強(qiáng)，利用2個(gè)三極管搭建一個(gè)“圖騰柱”式的電路，同時(shí)將Q1、Q2的發(fā)射極電壓反饋到LM358的負(fù)相端，從而使發(fā)射極電壓穩(wěn)定在輸入電壓的一半。

圖10 運(yùn)放雙極性電源電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在將整個(gè)檢測(cè)電路應(yīng)用與光離子化檢測(cè)系統(tǒng)中時(shí)，首先搭建了如圖11所示的由干電池和電阻所組成的微電流源。通過(guò)吉利時(shí)6485型皮安表的輔助，測(cè)試了在不同電流下的輸出電壓值，記錄下測(cè)試數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出如圖12所示的關(guān)系圖。從圖12中擬合的曲線(xiàn)可以看出，輸出電壓隨著輸入電流的增大而增大，線(xiàn)性度良好。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的微電流檢測(cè)電路能夠較好地用于微電流檢測(cè)。

圖11 微電流產(chǎn)生電路圖

圖12 檢測(cè)電路初步測(cè)試結(jié)果

為了得到不同濃度氣體對(duì)所產(chǎn)生信號(hào)的影響，于是在保持氣體流速相同且極板偏置電壓為200 V下，對(duì)不同濃度的異丁烯氣體進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量次級(jí)電壓信號(hào)放大電路的輸出端電壓，可以獲得異丁烯氣體濃度與輸出端電壓信號(hào)的關(guān)系圖，結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出，氣體濃度在0～178.5 ppm內(nèi)與輸出的電壓信號(hào)成線(xiàn)性關(guān)系，氣體濃度越高，輸出的電壓信號(hào)越大。此次實(shí)驗(yàn)的線(xiàn)性擬合度比較高，R2=0.983，同時(shí)測(cè)得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為 5～10 s，靈敏度為11.38 mV/ppm。

圖13 異丁烯氣體濃度與輸出電壓的關(guān)系曲線(xiàn)

為了驗(yàn)證該光離子化檢測(cè)系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)異丁烯，對(duì)其他揮發(fā)性氣體也有響應(yīng)，于是利用純度為99.999%的氮?dú)夥謩e將揮發(fā)一段時(shí)間的酒精和丙酮沖入電離室，測(cè)試輸出端電壓信號(hào)，得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同氣體的響應(yīng) mV

由表1可以看出，當(dāng)?shù)獨(dú)鈱]發(fā)出的乙醇或丙酮?dú)怏w沖入到電離室中后，輸出信號(hào)電壓突然變大，說(shuō)明乙醇和丙酮確實(shí)被電離了，該系統(tǒng)能夠推廣用于檢測(cè)其他揮發(fā)性有機(jī)物。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析微電流前置放大電路反饋電阻的結(jié)構(gòu)、反饋電容的大小、電路結(jié)構(gòu)以及整個(gè)檢測(cè)電路的抗干擾等因素，設(shè)計(jì)了輸出噪聲低且能夠很好地抑制共模干擾的微電流檢測(cè)電路。為了便攜，設(shè)計(jì)了9 V轉(zhuǎn)±4.5 V的雙極性電源電路以使整個(gè)檢測(cè)電路可以用9 V可充電鋰電池供電。通過(guò)將所設(shè)計(jì)檢測(cè)電路應(yīng)用于光離子化檢測(cè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，輸出電壓信號(hào)與異丁烯氣體濃度成良好的線(xiàn)性關(guān)系，擬合度達(dá)到0.983。同時(shí)，通過(guò)通入酒精和丙酮的揮發(fā)物發(fā)現(xiàn)，該檢測(cè)系統(tǒng)可以推廣到其他揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)。