一種醫用光電檢測前置放大電路設計

　　摘要：本文介紹了一種采用ADI公司的AD8034型FET輸入運算放大器搭建的高頻醫用光電檢測前置放大電路，重點(diǎn)介紹了光電傳感器的偏置保護、信號帶寬補償和I/V轉換電路設計方法，具有良好的噪聲性能，滿(mǎn)足醫用儀器光電信號檢測需要。

　　引言

　　在用于臨床檢驗科室的醫用體外診斷設備中，大量應用光學(xué)信號的變化來(lái)分析血液、尿液和腦脊液等體液成分，因此光電檢測電路設計被廣泛應用于該類(lèi)設備。醫用光電檢測電路根據光學(xué)信號變化情況可以分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)是用于檢測近似靜止或者光學(xué)信號的緩慢變化，如應用比色法進(jìn)行檢測的生化分析儀和血凝儀等的低頻光電檢測電路，第二類(lèi)是用于檢測光學(xué)信號的快速變化，如用于血液細胞分析儀和流式細胞儀的高頻光電檢測電路。

　　本文介紹一種用于上文中第二類(lèi)光學(xué)信號檢測的高頻光電檢測模擬電路設計，該前置放大電路作為一個(gè)獨立PCB板設計，封裝為用于光電轉換的前置放大器，整個(gè)系統的電氣性能主要由該模塊決定。本設計的檢測對象是波長(cháng)為535nm附近的綠光信號，該信號是由快速經(jīng)過(guò)光照區的細胞所引發(fā)的散射光信號，根據細胞經(jīng)過(guò)光照區的速度，散射光信號變化頻率在1MHz~1.8MHz之間。

　　1 系統方案

　　由于散射光信號的光功率很低，為了減少信號轉換中引入的干擾，同時(shí)適合醫用設備的光學(xué)應用場(chǎng)景，本設計采用了傳感器偏置模塊、帶寬補償模塊、I/V轉換模塊和信號調理輸出模塊的系統設計方案，如圖1所示實(shí)現完整的光學(xué)檢測前置放大電路設計。

　　前置放大電路包含光電轉換傳感器、帶寬補償電路、I/V轉換電路和信號調理電路，將光信號轉換為電壓脈沖信號輸出給后續儀器處理電路，該光電檢測電路封裝為用于光電轉換的前置放大器，本文重點(diǎn)介紹該電路的設計實(shí)現。

　　2 傳感器偏置設計

　　前置放大模塊的電路性能是本設計的關(guān)鍵，需精心進(jìn)行設計和調試。根據系統光信號特點(diǎn)，選用日本濱松公司的S1223型光電二極管作為光電轉換傳感器。S1223的有效接收面積為2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置電壓的條件下，可以提供25MHz的信號頻率響應，在400~1000nm波長(cháng)范圍內具有良好的光電轉換性能，能夠滿(mǎn)足光信號轉換的要求。

　　如圖3光電二極管S1223使用VB=-12V偏置，為了防止電流過(guò)大損壞光電二極管，反偏電路中加入了20kΩ的限流電阻，此時(shí)的反偏電壓不小于10V，由圖2可知S1223中存在約50pA暗電流，通過(guò)I/V轉換之后產(chǎn)生的電壓在uV級水平，對電路性能沒(méi)有影響。

　　3 帶寬補償設計

　　由于引入限流電阻將導致電路在高頻信號下，光電流大部分以電荷形式儲存在光電二極管的結電容中，流出的電流很小，簡(jiǎn)單說(shuō)就是造成信號帶寬下降，具體如下式所示：

　　其中R是限流電阻，Cs是光電二極管結電容，If為流過(guò)I/V級反饋支路的有效電流，Is是光電二極管產(chǎn)生的光電流。因此由圖2可知在電路反向偏置約10V情況下，S1223的結電容為Cs=20pF，對于20kΩ的限流電阻，那么-3dB信號帶寬f0只有400kHz。為此需要對帶寬進(jìn)行補償設計，反偏及補償電路設計如下。

　　帶寬補償電路的設計思路是降低高頻時(shí)限流電阻的等效阻抗。如圖4，對于電容C1，其右端為運放“虛地”，交流時(shí)等同和限流電阻并聯(lián)，所以

　　其中C1=0.1μF。當C1>>Cs時(shí)(一般10倍以上)，就可以保證光電流基本無(wú)損的經(jīng)過(guò)后續I/V轉換電路，實(shí)現帶寬補償。