微弱光强信号采样电路设计
&&&&2014, Vol. 36 Issue (3): 253-257
余明, 陈锋, 李抄, 吴太虎. 微弱光强信号采样电路设计[J]. 光学仪器 ,)253-257.&&
YU Ming, CHEN Feng, LI Chao, WU Taihu.
The design of a sampling circuit for faint optical signal[J].Optical Instruments ,)253-257.&&
微弱光强信号采样电路设计
余明, 陈锋, 李抄, 吴太虎 &&&&
中国人民解放军军事医学科学院 卫生装备研究所, 天津 300161
作者简介：余 明（1990- ），男，硕士研究生，主要从事生物医学工程智能仪器方面的研究。E-mail：
通讯作者：吴太虎（1962- ），男，研究员，主要从事野战急救技术与装备系统集成方面的研究。E-mail：wutaihu@
摘要：微弱光信号检测电路应用在许多精密测量仪器中。针对微弱光强信号放大采样问题，分析了传统光电检测电路存在的不足，采用S2387系列光电二极管，结合多级放大电路与T型反馈电阻网络，设计了一种放大倍率可编程的微弱光强信号采样电路。基于对实验数据的分析，通过对前后级放大倍数的合理分配，该电路兼顾了提高响应速度与降低噪声的要求，简洁可靠，适合于光强和波长变化范围大的微弱荧光、散射光和反射光检测。
微弱光信号&&&&
T型反馈电阻网络&&&&
多级放大电路&&&&
可编程放大倍率&&&&
The design of a sampling circuit for faint optical signal
YU Ming, CHEN Feng, LI Chao, WU Taihu &&&&
Institute of Medical Equipment, Military Medical Science Academy of the PLA, Tianjin 300161, China
Abstract: Faint optical signal detection circuit is used in many precision measuring instruments. To solve the problem of amplification and sampling for faint optical signal, this paper analyzes the shortcomings of traditional photoelectric detection circuit, designs a kind of photoelectric detection circuit with programmable magnification, based on the applications of T-network of feedback resistance and multistage amplifier circuit. Through the rational allocation of before and after class magnification, this sampling circuit that improves the response speed and reduces noise requirements, is suitable for the detection of faint fluorescence, scattered light and reflected light with large range of intensity and wavelength.
Key words:
faint optical signal&&&&
T-network of feedback resistance&&&&
multistage amplifier circuit&&&&
programmable magnification&&&&
目前光电检测电路已被应用到许多领域。在光电系统中,光电检测电路把接收到的光信号转换成电信号,并对电信号进行放大,再与后面的检测和运算系统对接。光电检测电路在整个光电系统中是非常重要的,它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏[
]。现结合光电二极管、集成运算放大器构成的二级放大电路、T型网络、滤波器和高精度A/D转换芯片,设计一种通用的高放大倍率、高精度、低噪声的微弱光强信号采样电路。
1 二级放大电路
在荧光、散射光和微弱的反射光检测中,光信号比较微弱,一般为1～10 nW。本设计采用的光电二极管为日本滨松生产的S2387系列66R型,该型号光电二极管拥有高线性、高灵敏度和小的暗电流,可用于320～1 100 nm波长的微弱光强信号检测。该型号光电二极管响应率约为0.1～0.58 A/W,等效噪声功率为2.2×10-15 W/Hz 1 2 ,1×10-12W的光强变化即可引起有效的光电流变化[
],由此可知,该型号光电二极管可以满足测量要求。
光电二极管有两种工作模式:零偏置工作的光伏模式和反向偏置的光导模式。在光导模式下,响应速度快,但存在暗电流,有非线性;在光伏模式下,不存在暗电流,没有导电产生的散粒噪声,线性好,但切换速度低于光导模式[
]。考虑到在微弱光强信号测量中,暗电流带来的散粒噪声非常明显,本设计采用零偏置工作的光伏模式,应用于频率不高的微弱光信号检测[
nW级的微弱光强信号,在PD上引起的光电流约为几nA,需要将该电流转换、放大到可供检测的电压大小,需要为PD负载1 GΩ大小的电阻。然而,光电二极管的响应时间会随其负载电阻的增加而增加。经实验得知,如图 1、图 2、图 3所示,当负载电阻分别为100 kΩ,1 MΩ,10 MΩ时,光电响应时间分别约为300 μs,600 μs,1 000 μs。
图 1Fig. 1
图 1 Rf1=100 kΩ时,响应时间约为300 μs
Fig. 1 When Rf1=100 kΩ,response time about 300 μs
图 2Fig. 2
图 2 Rf1=1 MΩ时,响应时间约为600 μs
Fig. 2 When Rf1=1 MΩ,response time about 600 μs
图 3Fig. 3
图 3 Rf1=10 MΩ时,响应时间约为1 000 μs
Fig. 3 When Rf1=10 MΩ,response time about 1 000 μs
因此,基于对系统响应时间的考虑,既保证响应时间,又提高放大倍数,可采用如图 4所示的二级放大电路实现信号的放大。第一级先将光电二极管产生的微弱电流信号转换为电压信号,第二级再进行电压信号的放大。
图 4Fig. 4
图 4 二级放大电路
Fig. 4 Secondary amplifier circuit
在放大倍率的分配上,一般基于以下两点的综合考虑:(1)第一级Ⅳ转换电路的负载电阻越大,系统响应时间越长;(2)前置放大器的噪声会逐级传递,因此,分配在第一级的放大倍数越大,系统的噪声越小[ , ]。因此,应视具体对系统噪声和相应时间的要求,决定放大倍率的分配。
在本设计中,第一级为负载约为1 MΩ左右的Ⅳ转换电路,将nA级的电流信号转换成mV级的电压信号;第二级为闭环增益为1 000左右的负反馈放大电路。这样的设计,将nA级的电流信号放大到了足以供检测的V级电压信号范围,也保证了系统响应时间在1 ms以下,同时将放大倍率尽可能地分配给了前置放大器,尽量减少了系统噪声。
本设计中,第一级为等效电阻约为1 MΩ的Ⅳ转换电路,第二级为闭环增益1 000左右的负反馈放大电路。对于第一级来说,即需要使电阻Rf1在1 MΩ左右;对于第二级来说,为了尽量减少后续电路对第一级输出的微弱电压信号能量的吸收,要求二级放大电路的输入电阻较大。由输入电阻Ri=Rx可知,电阻Rx的阻值应较大。又因对第二级电路来说,闭环增益Au=-Rf2/Rx,要使闭环增益Au在1 000左右,同时保证电阻Rx在100 kΩ以上,则需要反馈电阻Rf2在100 MΩ左右。
对于放大电路来说,温度漂移所引起的误差是其静态误差的主要来源。减少温度漂移误差的主要方法除了选择失调漂移较小的运放以外,选用稳定性高的电阻也非常重要。但是,阻值在1 MΩ以上的电阻,稳定性都较差。因此,出于减少温度漂移引起的静态误差的考虑,希望放大电路中选用阻值较小的电阻[
为降低温度漂移引起的静态误差且获得较大的放大倍数,本设计中将传统的放大电路(如图 5所示)用反馈电阻的T型网络来代替(如图 6所示)。
图 5Fig. 5
图 5 传统的放大器电路
Fig. 5 Traditional amplifier circuit
图 6Fig. 6
图 6 T型反馈电阻网络放大器电路
Fig. 6 T-network of feedback resistance
如图 6所示,用Rf、R1、R2组成的T型网络代替了图 5中的反馈电阻Rf的位置。
在该电路中,根据运算放大器特性:
应用基尔霍夫电流定律:
IR2=IRf + IR1
IR1= Rf/R1×IRf
Vout=- IIn×(R2 + Rf + R2/R1×Rf)
因此,等效反馈电阻Rf_equ为:
Rf_equ=R2 + Rf+ R2/R1×Rf
由上式可知,仅需用几个阻值较小的电阻,即可产生一个很大的反馈电阻。
例如,取Rf=330 kΩ,R2=330 kΩ,R1=1 kΩ,则等效电阻Rf_equ=109.56 MΩ,足以满足大倍率的放大要求。
由上述讨论可知,在放大电路中采用T型反馈电阻网络,可以避免大电阻带来温漂误差的同时得到很大的等效反馈电阻,从而实现信号的大倍率放大;在电路实现上,仅比传统放大电路增加了两个电阻,并未明显增加电路成本及复杂度[
3 实现放大倍率的可编程
本设计采用带SPI串行接口的12位逐次逼近型A/D 转换器MCP3202,在VDD=+5 V,VSS=0 V供电下工作。该工作状态下,其最大采样频率为100 kHz,最小分辨率约为1.22 mV。该芯片将从OUTPUT端口采集到的模拟电压信号,转换为12位数字信号,通过SPI串行接口,传给MCU。
为使从OUTPUT端口得到的信号精度达到最优并不超过A/D 转换器的量程,光强信号在其最大值时,OUTPUT端口的电压信号也接近A/D 转换器的满量程(即5 V)。但是,由图 7可知,66R型光电二极管在其光谱响应范围内的信号动态范围很大,再加上分光系统中的光学器件对不同波长光的衰减特性不同,不同波长光照引起的光电流之间可相差几十倍[
]。如果按照传统的放大电路,确定一个固定的放大倍率,很难将所有波长引起的光电流都放大到合适的大小。如果能够实现放大倍率的可编程,由MCU控制放大倍率,则可根据需要随时调整放大倍率至适当数值。
图 7Fig. 7
图 7 66R型光电二极管的光谱响应率曲线
Fig. 7 Spectral responsivity curve of 66R type photodiode
因此,本设计在其二级放大电路的输入电阻与运算放大器之间,增加了一个8通道模拟选通器,如图 8所示。
图 8Fig. 8
图 8 用选通器实现放大倍率的可编程
Fig. 8 Programmable magnification by strobe device
将A,B,C分别连接MCU的三个IO口,即可通过改变三个管脚的逻辑电平,选通X0～X7中的任意一个输入通道至Y管脚,从而选择R0~R7中任意一个作为输入电阻,实现放大倍率的可编程。
这样,便可通过MCU程序进行放大倍率的选择,使OUTPUT端口得到合适的电压信号,输入给A/D转换器。
4 解决50 Hz工频干扰
在微弱电流信号的检测电路中,经常会出现50 Hz的工频干扰信号,可以根据干扰的不同来源,通过以下三个途径予以解决:
(1)干扰信号来自电源。如果电源管理部分设计不恰当,则无法有效过滤市电中的50 Hz交流信号。可设计一个后端由稳定性好、负载响应快、输出纹波小的低压差线性稳压器(LDO)供电的电源管理电路,代替开关电源,可有效滤掉市电中的干扰信号。
(2)干扰信号来自天线效应。由于交流市电的影响,环境中经常会存在50 Hz的电磁波,如果采集电路部分PCB布线不恰当或传感器有较长的连线,则会使该电路产生天线效应,接收到环境中的电磁波。可设计一个金属盒或金属网,将整个电路包裹在内,可以有效屏蔽环境中的电磁波干扰。
(3)如果以上两种方案由于各种限制不便采用,或者无法解决问题,则需要增加一个如图 9所示的50 Hz陷波器。
图 9Fig. 9
图 9 50 Hz陷波器
Fig. 9 Trap filter of 50 Hz
将图 9所示陷波器,加到一级放大和二级放大之间,即可有效过滤掉50 Hz的工频干扰信号。
经实验验证,应用本文设计的微弱光强信号检测电路,可以检测320～1 100 nm波长的nW级微弱光强信号的变化,响应时间小于1 ms,噪声低,尤其适合检测光强和波长变化范围大的光信号,可广泛适用于多种微弱荧光、散射光和反射光检测。
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> 光电二极管启蒙
光电二极管启蒙
看到技术论坛上出现不少关于和相关电路的问题，针对这方面内容，我想跟更多同行做个分享。这些知识是所有模拟设计者所必须了解的。本文引用地址：一个典型的模型包含以下关键元素，一个二极管并联一个电流源，并且电流源与光强成正比。寄生元件CD和 RD 会影响器件性能。光伏模式-光电流在如图2所示的环路中流动，并且给二极管提供正向偏置。由于二极管的电压电流间成对数关系，因此空载的输出电压与光电流间近似成对数关系，并且通过RD
上的一个小电流得到修正。所以输出电压与光强之间是高度非线性的关系。某些应用将很受益于对数关系,因为在很大的范围内，光强的改变(眼睛是完美的对数型)
会使电压发生类似的改变。由于二极管电压电流特性与温度相关， 电压与光强之间的绝对关系很差。在光伏模式下，二极管电容限制了频率响应。光强的快速改变会对CD进行充放电。这并不是用于快速响应的模式。输出端可以引入缓冲，或者输出端也可以进行同相放大。为了实现低的输入偏置电流，可以使用CMOS或者JFET的运算放大器。从而在低的光强的情况下，运放不至于成为的负载。在光伏模式下的输出功率，当输出端引入负载时电压会有明显的下降。为了输出最高的功率，所采用的负载值由光强决定。光敏模式-二极管电压为常量，如图3所示，通常为0V。通常会使用跨阻放大器来将光电流转换为电压。可以通过对光电二极管加反向偏置的方法来降低它的电容，但这会造成暗电流的泄露。当二极管两端没有正向电压的时候，响应与光强之间是成线性关系的。此外，二极管电容两端的电压不会随着光强的改变而改变，因此频率响应大大改善了。由于电容在负反馈的回路中形成了一个极点，因此很有必要降低电容的值。为了实现稳定性的，通常引入一个反馈电容CF。仅仅通过加载一个大约50欧姆左右的阻值的光电二极管，你就可以从光敏模式中得到很多益处。如果二极管电压没超过20
mV，就没必要对二极管进行正向偏置，同时响应也是是合理的并且快速的。然而灵敏度会很低。雪崩式光电二极管是特殊的模式，需要对其提供接近于击穿电压的反向偏置电压。这就使得在低光强的情况下，输出电流可以被放大。选择光电二极管的时候会存在很多权衡，包括光电二极管的尺寸，电容，噪声，暗电流以及封装类型。一般来说，最好是选用较小的同时带有反射器或者透镜可以聚集光源的光电二极管。德州仪器没有生产单独的光电二极管，然而对于很多基本的应用，将光电二极管和跨阻放大器集成在一块芯片上的OPT101会提供一个完整的解决方案。我知道许多工程师专职设计光电二极管电路，对于高性能的应用，还有很多需要学习的东西。我在这方面并不是一个权威，但我愿把我的所知拿来与大家分享。事实上，对于我的大部分话题，我都不是权威。这也就是我不写书，而仅仅写博客的原因。感谢阅读。我们很乐意知道你是否为了一个不平常的目的使用了光电二极管?另外，欢迎专家给出一些评论或建议。
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