對數放大器在弱光檢測中的應用

梅欣麗 ，李常青

（1．鄭州大學 信 息工程學院，河南 鄭 州 4 50001；2．新鄉學院 物 理系，河南 新 鄉453000）

弱光檢測通常是先將光信號通過光電器件轉換成電信號，再經前置放大電路放大后，由A/D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號進行分析處理。弱光檢測技術廣泛應用于現代通信、醫療和科研等領域。弱光檢測電路一個重要性能指標是對噪聲的濾除能力，但在弱光檢測時，光信號與噪聲幾乎處于同一數量級，信號很容易淹沒在噪聲中，不利于后續電路處理。傳統方法是采用電路級聯來濾除干擾，放大信號；但這種電路需用精密電阻，且設計復雜，電路體積大，可靠性差。隨著集成對數放大電路的發展，其寬動態范圍、高精確輸出的顯著特點，光檢測電路也得到不斷發展與完善，對數電路具有優異的數據壓縮性能，可將很寬的輸入動態范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍內[1－2]。因此，這里提出一種以LOG100[3]作為前置放大的弱光檢測電路設計方案。

1 電路設計與分析

1.1 光電轉換電路[3]

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，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和為光電二極管內阻。可以看出，減小RF可以減少以上影響，但同時會減小電路的增益。解決這個問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OPA111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100 μV。經過計算，RF的值取在幾百MΩ范圍內時，上述影響可以近似忽略，能夠滿足電路的要求。

1.2 前置放大電路[4－9]

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LOG100與外圍元件構成前置放大電路。圖1虛線框內所示電路為LOG100的簡化內部電路，其動態輸入范圍1 nA～1 mA，滿跨度輸出誤差（FSO）低于0．37%，與精確對數關系最大偏離小于0．1%。同時，內部還集成有激光校準電阻，使得該對數放大器在環境溫度變化時仍能保持精確輸出。LOG100有4個選擇端，通過不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見文獻[1－2，5－8]。

圖1 光電檢測電路

由文獻[1－2]可知LOG100的輸入輸出關系為：

2 結果分析

在弱光測試實驗中，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，實驗時電路封裝在金屬盒內，采用±10 V直流穩壓電源供電，電源線與信號線均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發光二極管輸出的周期性光脈沖信號，周期T=105 ms。使用數字示波器觀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LOG100的輸入輸出關系，實驗中以I2為基準電流，根據運放反向輸入結構有，即在電路中可通過給定基準電壓μ2實現。光電檢測部分電路的輸出電壓一般只有mV量級，同時根據LOG100器件要求，其輸入電流要在1 nA～1 mA，I1，I2的比值要在105以內。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=0．7 nW時光電轉換電路的輸出波形，可以看出，噪聲與信號在同一個數量級，噪聲與信號峰值比接近1，如果以這樣的輸出直接進行A/D轉換，將使數據的準確性大打折扣，雖然可以通過單片機程序中的濾噪子程序來降低數據的出錯概率，但軟件模擬功能具有一定的局限性，可能無法得到準確的數據輸出。圖2（b）是通過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0．02以下，幾乎不用軟件濾噪可以將A/D轉換的數據直接進行后續處理。由此可見，LOG100作為前置放大電路在放大有用信號的同時，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，完全可滿足設計要求。圖3所示為輸入光功率在1．4 nW時理論值（虛線）與測量值（實線）相差不到0．1 V。

圖4為不同入射光功率P下前置放大電路的輸出VOUT波形，從圖4可以看出，輸入光信號的強度幾百pW的微弱改變時，LOG100的輸出信號幅度有幾百mV的明顯變化，這使得在A/D轉換時可最大限度地采集不同光源強度的數據。然而LOG100也有其不足之處。由圖4可見，隨著輸入光強度的減弱，輸出信號中噪聲逐漸增強，當噪聲與信號相比增大到一定程度后，可能會使A/D轉換電路輸出錯誤，這時必須采用軟件進行濾噪處理。因此LOG100一般用在檢測弱光信號電路中，在微弱光信號檢測中，LOG100的輸出信噪比較小，還需精密濾波電路輔助，這不但增加了電路的復雜性，也使其輸出數據的準確度大大降低，從而不能進行實際應用。

要解決這個問題，可考慮使用精度更高的LOG101和LOG104作為前置放大電路，與LOG100相比，它們具有更寬的動態輸入范圍100 pA～3．5 mA，精確度可達0．01%FSO。LOG101和LOG104采用恒定增益，在電路中使用靈活性方面不如LOG100。在內部沒有集成激光校準電阻，但直流偏移電壓低，且能在很寬的溫度范圍（－5～75℃）內精確輸出，因此更適合使用于微弱光信號檢測電路中。

3 結論

討論了LOG100在弱光檢測應用中的噪聲濾除性能，實測結果表明LOG100有較強的噪聲抑制能力，在弱光檢測中可作為前置放大電路。但當輸入信號逐漸減弱時，噪聲抑制能力也較弱，不適宜使用在微弱光信號檢測中。

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