基于對數放大器LOGl00的弱光檢測電路設計

　　1 電路設計與分析

　　1．1 光電轉換電路

　　圖1為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率。在檢測弱光信號時(shí)，RF為提高增益，RF的取值應選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調電壓VB對輸出電壓的影響分別為IBRF和，Rs為光電二極管內阻?？梢钥闯?，減小RF可以減少以上影響，但同時(shí)會(huì )減小電路的增益。解決這個(gè)問(wèn)題需選擇偏置電流和失調電壓均很低的運算放大器。這里選用0PAlll型高精度運算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調電壓約100μV。經(jīng)過(guò)計算，RF的值取在幾百MΩ范圍內時(shí)，上述影響可以近似忽略，能夠滿(mǎn)足電路的要求。

　　1．2 前置放大電路

　　由于光電轉換電路的輸出信號通常在mV數量級，且信號常常淹沒(méi)在噪聲中，因此前置放大部分需有較強的濾噪和放大能力。選用精密對數放大電路LOGl00與外圍元件構成前置放大電路。圖l虛線(xiàn)框內所示電路為LOGl00的簡(jiǎn)化內部電路，其動(dòng)態(tài)輸人范圍1 nA～1 mA，滿(mǎn)跨度輸出誤差(FSO)低于0．37％，與精確對數關(guān)系最大偏離小于O．1％。同時(shí)，內部還集成有激光校準電阻，使得該對數放大器在環(huán)境溫度變化時(shí)仍能保持精確輸出。LOGl00有4個(gè)選擇端，通過(guò)不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見(jiàn)文獻。

　　由文獻可知LOGl00的輸入輸出關(guān)系為：

　　2 結果分析

　　在弱光測試實(shí)驗中，光電二極管使用S1227-66B型PIN硅光電二極管，該器件靈敏度高，暗電流小。為了減小干擾，實(shí)驗時(shí)電路封裝在金屬盒內，采用±lO V直流穩壓電源供電，電源線(xiàn)與信號線(xiàn)均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發(fā)光二極管輸m的周期性光脈沖信號，周期T=105 ms。使用數字示波器觀(guān)察并記錄光電轉換電路的輸出和前置放大電路的輸出信號。

　　根據LOGl00的輸入輸出關(guān)系，實(shí)驗中以I2為基準電流，根據運放反向輸入結構有，即在電路中可通過(guò)給定基準電壓μ2實(shí)現。光電檢測部分電路的輸出電壓一般只有mV量級，同時(shí)根據LOGl00器件要求，其輸入電流要在l nA～l mA，I1，I2的比值要在l05以?xún)?。故圖1中的輸入電阻R11，R21選擇在幾十kΩ，以保證對數電路輸出精確度，根據這些要求，μ2值設定為幾mV。

　　因光電轉換電路的增益很高，雖然采用精密放大電路，并使用RF和CF限制信號頻帶，但幾乎對所有的輸入光信號，其輸出噪聲都非常高。圖2(a)為P=0．7nW時(shí)光電轉換電路的輸出波形，可以看出，噪聲與信號在同一個(gè)數量級，噪聲與信號峰值比接近l，如果以這樣的輸出直接進(jìn)行A／D轉換，將使數據的準確性大打折扣，雖然可以通過(guò)單片機程序中的濾噪子程序來(lái)降低數據的出錯概率，但軟件模擬功能具有一定的局限性，可能無(wú)法得到準確的數據輸出。圖2(b)是通過(guò)前置放大電路處理后的輸出信號，其波形較光滑，噪信峰值比降低至O．02以下，幾乎不用軟件濾噪可以將A／D轉換的數據直接進(jìn)行后續處理。由此可見(jiàn)，LOGl00作為前置放大電路在放大有用信號的同時(shí)，也有效抑制了噪聲，其具體測量數據與理論計算結果差距較小，完全可滿(mǎn)足設計要求。圖3所示為輸入光功率在1．4 nW時(shí)理論值(虛線(xiàn))與測量值(實(shí)線(xiàn))相差不到0．1 V。