微弱光電信號檢測電路優化設計研究

景加慧 王沁喆

摘 要： 目前，光學領域研究工作不斷細化，微弱光作為重點研究內容，微弱光電信號檢測模式與時俱進的創新。現如今，微弱光電信號應用范圍較廣，為優化光電信號檢測性能，針對檢測電路合理設計、良好優化是極為必要的。本文在理論及原理介紹的基礎上，重點分析微弱光電信號檢測電路優化設計工作。

關鍵詞： 微弱光電信號；電路優化；電路設計

前言：近年來，科學技術不斷發展，微弱光檢測技術水平逐漸提高，針對微弱光電信號檢測電路工作原理大致掌握，并合理調整設計方案，能夠提高微弱光電信號穩定性。希望本文探究能為相關研究人員提供借鑒，以此拓展設計人員思路，將電路設計工作具體落實。

1微弱光電信號檢測基本介紹

1.1檢測必要性

我國科研事業、軍事行業發展步伐逐漸加快，這類行業發展的過程中存在這樣的現實問題，即現有探測設備不能全面、順利接收微弱光電信號，即使收集微弱光電信號，最終消失于噪聲中，簡言之，微弱光電信號影響因素較多，已有光電檢測設備控制效率較低。為了高效收集微弱光電信號，設計人員務必全面掌握微弱光電信號影響因素，同時，做好電路合理化設計工作[1]。

1.2組成及原理

微弱光電信號檢測電路由三部分組成，第一部分即信號放大部件，第二部分即光電轉換部件，第三部分即濾波結構。電路工作原理即光信號轉變為電信號，電路工作程序為：微弱光信號通過光電二極管，之后在光電流的作用下流經前置放大模塊，接下來在電壓信號處理下，流經放大電路以及濾波電路，最后形成電壓信號，需要說明的是，濾波電路負責噪聲消除的重要任務，進而電壓信號較穩定。

2微弱光電信號檢測電路優化設計分析

設計工作開展之前，大致掌握微弱光電信號檢測電路特點，基于此，優選適合的二極管，其中，型PIN二極管具有良好的氣密性，并且性能較優、光譜快速響應。其探測結構模式細分為光導模式和光伏模式兩種，兩種模式特點各異，前者具有噪聲大、快速響應、非線性良好等特點；后者具有噪聲小、數值測量準確性較高等特點。上述內容大致掌握后，接下來針對微弱光電信號檢測電路優化設計工作細致分析。

2.1改進光電轉換電路

光電轉換電路未改動之前，借助集成部件結構完成電路組裝，以具體電路為例，電路運作原理簡單，但電壓信號具有噪聲大、使用呆板等問題。應用獨立部件完成轉換電路組裝，能夠滿足小噪音、小測量誤差等運作要求。又如，電路設計不僅具有低噪音優勢，而且支持偏置電流以及電壓的輸入，在適當位置安裝滑動變阻器，能夠起到電路調節的積極作用。

2.2優化對數變換電路

微弱光電信號采集的過程中，既要保證信號采集的準確性和全面性，又要保證信號質量，同時，電路電壓范圍在0～5V之間，確保電壓與光功率呈正比例相關。針對線性電路處理的過程中，巧妙應用對數變換電路，以免線路擴大出現強光照、光測量范圍受限等現象，這不僅能夠提高信號檢測效率，而且還能全面發揮檢測設備應用價值。對數變換電路優化時，應對信號適當壓縮處理，在全面控制輸出信號的前提下，合理調整輸入信號變化范圍。例如，電路模式具有低噪音特點，將其用于微弱光電信號檢測，不僅能夠優化反偏置狀態，而且還能提高數值檢測的準確性，這對光電信號靈活性調整有重要意義。

2.3優化設計PCB板

為了確保電路穩定、可靠運行，針對PCB板合理設計、不斷優化，在此期間，確保元件布置的合理性和均勻性，并堅持短距離的線路布置。需要注意的是，信號線與電源線保持一定距離；電路完全處于屏蔽狀態，這是PCB板合理設計的基本需要。此外，針對運算放大器四周銅皮及時清理，這對電路性能優化、噪聲降低有重要意義。

2.4電路性能分析

上述微弱光電檢測電路性能分析工作不夠深入，為全面了解電路性能，針對電路仿真分析，仿真分析的過程中，應用特定軟件——完成仿真分析任務，具體分析過程：首先，針對各器件進行模型建立。然后，利用微變等效電路進行模型模擬。最后，在軟件庫中獲取各器件模型，據此建立仿真原理圖。

2.4.1前置放大電路仿真

在直流偏執點分析的基礎上，總結影響電路特性的元器件。反饋電阻值合理選定，同時，優選性能較優的電器，最佳阻值為M；電路帶寬受電容影響較大，為優選適合的電容值，參照相關軟件參數完成數值選取任務，最佳電容值為pF。確定反饋電阻以及電容值后，電路帶寬自然確定，最終獲得截止頻率。

2.4.2對數變換電路仿真驗證

參照電流直流掃描圖，獲取電路輸出電壓以及對數電路變換電壓，之后針對壓縮信號處理，使其達到要求的壓縮信號功能，在這一過程中，控制電路電壓值，使其不超過5V。

2.4.3電路噪聲仿真及實測

電路噪聲組成部分包括四方面，第一方面即電壓噪聲，第二方面即電阻熱噪聲，第三方面即二極管暗電流引入噪聲，第四方面即運放電流噪聲。各類噪聲均由計算獲得，噪聲獲取后，應用相關軟件分析其噪聲特性，噪聲原理分析指的是，器件帶入噪聲等效處理成激勵源帶入噪聲，之后仿真分析噪聲大小，并繪制噪聲頻譜曲線。總結分析可知，保證信號寬度不變，要想減少噪聲，務必降低電路寬度[2]。

微弱光電信號檢測電路實測時，通過觀察輸出電壓示波器截圖獲得信號輸出穩定情況以及平直情況，同時，掌握輸出電壓噪聲。實測結果顯示可知，電路輸出信號為2.3V，輸出噪聲在4MV之內，進而得知，這一電路信噪比較高。

結論：綜上所述，微弱光電信號檢測電路合理優化，能在提高光電信號檢測質量的前提下，減小數值計算誤差，同時，還能全面收集光電信號，發揮光電檢測儀器時效性。微弱光電信號檢測工作順利推進，無論是科研單位，還是軍事領域，均能全面獲取光電檢測信息，這對光電信號檢測設備成功研制有促進作用，能夠大大提高光電信號檢測設備利用率。

參考文獻

[1]鄧敏.微弱光電信號檢測電路優化設計[J].電子技術與軟件工程，2018（08）：103.

[2]郭濤，王超，魏明明.微弱光電信號檢測電路設計及性能分析[J].電子器件，2016，39（04）：913-917.