實現白細胞五分類的光電檢測電路設計

王 坤，施火泉

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

庫爾特原理是以細胞粒子通過微孔時電阻抗的變化產生的直流脈沖的幅度來鑒別不同體積的血細胞，而白細胞的中性、嗜堿、嗜酸3種細胞的體積很接近，所以僅由庫爾特原理制成的血細胞分析儀只能將白細胞分為3類，故稱為三分類儀器。為達到五分類的目的，激光光散射、射頻、化學染色計數法相繼被應用于對細胞特性的分析，使儀器和操作變得十分復雜。龔維燕博士發(fā)明的，一種庫爾特微孔的共軸照明方法，通過檢測前向光散射信號和對細胞內部形態(tài)敏感性更高的后向散射信號，達到對細胞內部結構的測定[1]，實現了五分類和更多參數的綜合檢測分析。文中設計了基于該方法的光電檢測電路。

1 檢測電路原理及設計

首先由激光照射通過庫爾特微孔的白細胞粒子，散射的光信號由光電探測器進行接收，光電探測器產生一個與照明度成比例的微弱電流。由于直接從光電探測器接收到的信號非常微弱，經實驗測定這些粒子的光散射信號產生的電流只有亞微安級，往往被噪聲淹沒，因此不能直接對這樣微弱的信號進行處理，需要通過前置放大、濾波電路和放大電路來實現輸出幅值合適、并已濾除大部分噪聲的待檢測信號。其原理框圖如圖1所示。

圖1 光散射信號放大處理電路框圖Fig.1 Light scattering amplification processing circuit diagram

1.1 光電探測器

光電檢測器件采用PIN光電二極管。由于PIN光電二極管在半導體的P區(qū)和N區(qū)間增加一層本征半導體Ⅰ區(qū)，增加了PN結耗盡區(qū)的厚度，提高吸收光子的機率并減小結電容，從而提高了探測效率和響應速度。此外，PIN光電二極管還具有頻率特性好，靈敏度高和穩(wěn)定性好等特點。

在光電精密測量中，被測信號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。光電二極管工作在光伏模式時，沒有施加額外的偏壓，暗電流極小，可非常精確的線性工作且光靈敏度較高。

1.2 前置放大電路噪聲分析

光電檢測電路的設計要盡量減小內部噪聲，提高系統的檢測精度。光電檢測電路的噪聲模型可參考文獻[2]，它由一個被輻射光激發(fā)的電流源Isc、二極管內阻Rd、結電容Cd、以及放大器的等效輸入噪聲電壓En和等效輸入電流In組成，光電檢測電路輸出信噪比為輸出信號電壓Uso比上輸出噪聲電壓Uno，其公式為：

由上述公式可知，光電檢測電路的輸出信噪比與很多因素有關。

光電探測器的內阻Rd越大，輸出信噪比越大，因此要選擇內阻大的光電探測器。同時選用的光電探測器要與集成運放相匹配，以達到電路的噪聲系數最小[3]。另外，光電探測器的結電容Cd與Rd并聯，Cd越小，其與Rd并聯后的阻抗越大，輸出信噪比就越大，所以結電容Cd要盡可能小。由于本設計中光電探測器處于無偏壓狀態(tài)，結電容比反向偏壓狀態(tài)時大，所以要盡可能選用結電容Cd小的光電探測器[2]。

測定傳感器的微小電流時常采用I-V轉換電路，即圖2的前置放大級。其中影響電路性能的關鍵是Rf和Δf，它們會影響光檢測電路的噪聲性能和頻率穩(wěn)定性。提高Rf的阻值，輸出信噪比會增大，同時也提高了信號的增益，根據不同的應用Rf的數值可以從幾十千歐到幾百兆歐甚至到幾十G。但Rf并不是越大越好，因為運算放大器有數pf到數十pf的輸入寄生電容 Cin，和反饋電阻Rf構成頻率特性的轉折點[4]，Rf越大，相位滯后越大，電路越容易自激振蕩。在選用元器件時，Rf最好采用噪聲小的金屬膜電阻。

提高信噪比的另一個方法是減小通頻帶Δf，電容Cf與Rf并聯，其作用就是減小電路的通頻帶Δf，Rf和Cf組成了一個濾波電路，其高頻截止頻率fc為1/2π·Rf·Cf。因此電路通頻帶Δf=1/2π·Rf·Cf。Rf和Cf越大，通頻帶越小，但電路通頻帶不能太小，否則輸出信號會產生頻率失真。另外，Cf不能太大，否則會造成系統響應過慢[2]。電容Cf還具有相位超前作用，改善電路的相位裕度，提高穩(wěn)定性，消除輸入寄生電容Cin和Rf造成的相位滯后而引起的振蕩。一般根據Cf>Cin來選取Cf的值，但由于光電探測器也有電容成分，故需要更大的Cf來進行相位補償。在選用元器件時，Cf最好采用溫度補償型的陶瓷電容。

1.3 前置放大電路設計

集成運放的選擇在精密系統應用中十分重要。由于集成運放的偏置電流也會產生噪聲，所以要選用低偏置電流的運算放大器如以場效應管為輸入級的運放，其開環(huán)輸入阻抗很高，輸入偏置電流就很小，而且偏置電流不易隨溫度改變，這種運放的功耗也很小[4]。值得注意的一點是常用的微小電流放大器如OPA128并不適用本電路，雖然OPA128是JFET作為輸入的運放，偏置電流很小，但是其帶寬只有1 MHz，使得反饋電阻Rf不能太大；白細胞的脈沖寬度約為50μs左右，而OPA128的最大轉換速率為3 V/us，加上反饋電容的作用使得系統響應變慢，經實驗測得其上升時間較長，細胞波形失真，故無法較好地獲得白細胞內部結構信息。本設計采用低噪聲精密運放OPA2140設計了前置放大器，OPA2140為JFET輸入的高精度低噪聲運放，偏置電流也很低，其帶寬有11 MHz，轉換速率為20 V/μs，這樣就可以滿足要求，如圖2前置放大級所示。

圖2 完整的光電檢測電路Fig.2 Complete photoelectric detection circuit

OPA2140內部為雙運放，另一個運放用作電壓跟隨器，利用電路輸入阻抗高及輸出阻抗低的特點，使它的高輸入阻抗與前級的高輸出阻抗匹配；低輸出阻抗與后級的低輸入阻抗相匹配，起到緩沖作用，減少了前后級之間的影響。

1.4 濾波器電路的設計

電路中存在著由直流分量和電源雜波信號引起的低頻干擾信號，同時還存在著高頻噪聲的干擾，為了從光電轉換信號里提取有用的電信號，本設計在前置放大電路后加入一個帶通濾波電路，通過帶通濾波器對這些干擾信號進行衰減，以除去有用信號頻帶以外的噪聲。

濾波電路帶寬的確定也是設計的重點，為使濾波效果達到最好，帶寬應越小越好，但過小又會造成有用信號的失真，以數量最多時的細胞來計算，白細胞平均出現的間隔為133μs[5]，經過多次計算和實驗，設計出了帶寬較小且能滿足系統需要的帶通濾波器，該頻帶范圍為11～160 kHz。本文設計的帶通濾波器由一個單位增益的二階高通濾波器和一個單位增益的二階低通濾波器組成，見圖2的濾波級。其中高通濾波器的傳遞函數：

其中

a，b可通過查帶通紋波3 dB的切比雪夫系數表獲得[6]，當C8=C9=68 nF，則由公式：

可得 R7=30 kΩ，R8=4.42 kΩ

低通濾波器的傳遞函數：

其中

a1，b1可通過查帶通紋波3 dB的切比雪夫系數表獲得[6]，當

則由公式

可得 R9=43.8 kΩ，R10=71.5 kΩ，R9取標準電阻 4 3.2 kΩ。

1.5 完整的檢測電路設計

完整的光電檢測電路如圖2所示。

2 實驗結果

將泰克示波器TDS2024C的兩個探頭分別接到兩路運放放大電路的輸出端output，在液路中建立240 P的負壓，保證稀釋后的白細胞樣本在負壓下均勻的通過庫爾特微孔，此時示波器記錄的白細胞前向和后向光散射信號波形如圖3所示。

圖3中上下的波形分別是白細胞后向光和前向光散射的信號，由圖3可知白細胞的光散射信號已經由微安級放大到了微處理器所能檢測的電壓范圍，且信噪比較好，大幅度提高了對不同種類細胞的鑒別能力。

圖4是示波器所測得的直流信號，前向光散射信號，和后向光散射信號。因為不同類別的細胞會在體積、表面特征內部結構等方面呈現明顯的不同，將這些特征信息定義到以VCS為三維坐標所形成的立體空間散點圖中，這5類細胞可在三維空間中形成特定的細胞群，通過計算某群細胞數量占白細胞總數的百分比，即可得到五項白細胞分類結果[7]。

圖3 白細胞前向和后向光散射信號Fig.3 Leukocyte forward and backward lingt scattering singal

圖4 白細胞直流、前向、后向三路信Fig.4 Leukocyte DC、forward and backward scattering signal

3 結 論

為實現激光照射白細胞所產生的微弱光電信號的檢測，文中研究了光電檢測原理和方法，設計了一套完整的光電檢測系統。為了減小噪聲的影響，并根據白細胞產生的光散射信號特點，確定了電路中主要元件的值，從而使淹沒在噪聲背景下的光散射信號檢測得以實現，并為后續(xù)處理做好準備。實驗結果表明，該電路可使亞微安級電流信號放大到適合微處理器處理的幅值范圍，并具有電路噪聲小，通頻帶寬，系統響應快等優(yōu)點，可以實現白細胞五分類的測定，也為微弱光電信號在其他場合的應用提供了參考。

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