低噪聲微弱近紅外光檢測電路設計

夏建華，謝小鵬，高國剛，肖郡龍

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州，510640；2.寶騰智能潤滑技術（東莞）有限公司，廣東東莞，523839）

0 引言

近年來，近紅外光電檢測憑借其穿透力強、非侵入式、高速實時、體積小等優點在諸多領域得到廣泛應用。在醫學上，通過接收的透射光信號可以無創測量人體血糖和腦血氧濃度等。在工業上，研究紅外光穿過介質后的光信號變化可以實時反應介質濃度，例如二氧化碳濃度0等。在氣液兩相流流體研究領域中，通過檢測管道透射光信號變化可以得出兩相流流型以及相含率等數據。然而其檢測裝置中紅外光接收電路比較簡單，在放大電流信號的同時也放大了輸入噪聲，目前應用中均未能具體分析電路噪聲來源，導致輸出信號信噪比較低，不利于后續的信號處理。

目前在紅外光電檢測電路設計領域中，張洋、張記龍等人根據光電探測器輸出的微弱光信號設計兩級放大電路，通過疊加法計算電路的輸出噪聲并在實際工程角度提出抑制噪聲的方法。江婷、李勝等人在分析碲鎘汞光導紅外探測器工作特性后，設計低噪聲前置放大電路和窄帶濾波電路用以檢測光譜儀的紅外微弱交變信號。周玉嬌、任侃等人分析了光電二極管反偏的光電檢測電路，建立其噪聲模型，并通過實際測量輸出噪聲電壓驗證了其模型的正確性。但是以上研究僅分析了噪聲來源，未能給出單獨噪聲源隨頻率的具體變化趨勢，而且未能針對實際的紅外對射檢測電路應用進行研究。

本文主要分析跨阻放大電路噪聲來源，得出其等效噪聲模型，計算每個噪聲源的噪聲密度大小以及噪聲增益，得出其隨頻率變化的噪聲密度曲線。通過元器件選型和設計運算放大器穩壓供電電源以減少輸入噪聲，后續結合待測信號頻率設計濾波電路的通帶帶寬并通過Ltspcie電路仿真對比濾波前后的輸出噪聲密度曲線與輸出總噪聲大小。

1 IV轉換電路設計與噪聲分析

紅外線介于基于可見光和微波之間的一段電磁波，根據波長范圍可以分為近紅外區、中紅外、和遠紅外區。近紅外光的波長在0.71-2.5um的范圍內。通常選用對應光譜范圍的光電二極管接收透射光信號，輸出與紅外光強度成正比的微弱電流信號。通常采用如圖1所示的跨阻放大電路，信號帶寬如式（1）所示：

圖1 跨阻放大電路

其中為Rf為反饋電阻，由于二極管產生電流大小隨光源不同而變化，本文暫定二極管產生電流最大值為200nA，反饋電阻取值為107?；Cf為反饋電容。

光電二極管處在不同的外加偏壓下，其工作模式也不相同：當外加偏壓為0時，工作在光伏模式下；當外加反向電壓時，工作在光導模式下。光伏模式相比光導模式，二極管暗電流幾乎為0，由于電流信號為nA級別，為了減少暗電流帶來的噪聲，此處選用光伏模式，即光電二極管兩端零偏壓。

為了分析電路噪聲，將其轉化為如圖2所示的等效噪聲模型，其中虛線框內是光電二極管的等效噪聲模型，由理想的電流源、內部結電容、分流電阻組成。虛線框外是跨阻放大電路噪聲模型，由理想的運算放大器與噪聲電流源、噪聲電壓源以及反饋電阻、反饋電容組成。

圖2 電路等效噪聲模型

1.1 元件型號選擇

由噪聲等效電路可知，噪聲主要來源于光電二極管與運算放大器，正確的型號選擇能夠有效減少輸出噪聲。

光電二極管分為PN型和PIN型，二者主要區別在于：（1）PN型光電二極管結電容比較大，根據截止頻率公式，截止頻率與結電容成反比，因此PN型頻率帶寬較小，不適合接收頻率較高的紅外信號，例如調制后的紅外信號。（2）PIN型光電二極管靈敏度高，噪聲更低。根據入射波長與光電二極管的響應光譜，此處選擇VBP104FAS的PIN型光電二極管，結電容較小，暗電流較低。其主要參數如表1所示。

表1 二極管參數

運算放大器的輸入電流噪聲與輸出電壓噪聲都屬于噪聲來源，尤其在高頻段，輸入電壓噪聲成為主要的噪聲來源。此處選擇ADI公司的ADA4625-1，具有極低輸入電壓噪聲和電流噪聲，寬增益帶寬乘積，其主要參數如表2所示。

表2 運算放大器參數

1.2 噪聲來源分析

集成電路的噪聲主要是由寬帶噪聲和1/f噪聲兩種類型混合而成：

（1）寬帶噪聲主要表現為在一個帶寬頻譜密度為常數，即en=enw。

根據圖2等效噪聲模型，跨阻放大電路主要噪聲來源有熱電阻噪聲，運算放大器輸入電流噪聲和電壓噪聲，每個噪聲源的輸出噪聲頻譜密度等于輸入噪聲頻譜密度與其相應噪聲增益的乘積。這些噪聲源共同產生了電路輸出噪聲。

1.2.1 熱電阻噪聲

熱電阻噪聲屬于寬帶噪聲，主要來自光電二極管內部分流電阻Rsh與反饋電阻Rf。其噪聲頻譜密度分別為：

其中kb為玻爾茲曼常數1.38×10?23J/K，Tn為開爾文溫度，這里暫時假設為300.15K，即27℃。可見當溫度確定時，反饋電阻噪聲只與阻值相關。

1.2.2 輸入電流噪聲

1.2.3 輸入電壓噪聲

與其他噪聲不同的是，輸入電壓噪聲在低頻段屬于1/f噪聲，在高頻段屬于寬帶噪聲，并且反饋電容和二極管內部結電容的存在導致其噪聲增益計算相對復雜。

為了求解其噪聲增益，搭建如圖3所示的等效電路。

圖3 噪聲增益等效電路

針對a、b點，根據基爾霍夫電流定理以及運算放大器的“虛斷”、“虛短”特性有：

可以得到噪聲增益的傳遞函數：

其中：

式中Ci為輸入電容，為光電二極管結電容和運算放大器輸入電容之和；Rsh為光電二極管內部分流電阻。

根據傳遞函數可以畫出伯德圖如圖4所示。

圖4 噪聲增益

同時Cf由于同時影響信號帶寬，不宜過大，此處根據目標帶寬10KHz，有：

代入到式（7），（8）中可以計算

綜合所有噪聲源可以得到如圖5所示的輸出噪聲頻譜密度曲線。

圖5 輸出噪聲密度曲線

由于4個輸出噪聲不相關，所以總的輸出噪聲密度頻譜密度：

總輸出電壓噪聲均方值可以表示為：

其中fL是起始頻率，對應此處的1Hz；

fH是終止頻率，對應此處的107Hz；

eo是輸出電壓噪聲密度。

1.3 濾波電路設計

圖6 濾波電路

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線如圖7所示。

圖7 濾波電路曲線圖

1.4 電源電路的設計

在實際使用中，上述運算放大器都是±15V雙電源供電，為了減小供電電源噪聲給電路帶來的影響，采用如圖8所示低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO），相比于DC-DC電壓轉換器，LDO輸出紋波電壓小，穩定性好，適合為精密運算放大器供電，分別選用ADI公司的ADP7142和ADP7182產生±15V電壓。二者的參數為下：

表3 LDO參數表

電源模塊電路如圖8所示。

圖8 電源模塊電路

對于ADP-7142固定輸出電壓為5V,可以通過外部電阻分壓器，根據式（18）將電壓提升到15V，此處選擇R1=20k?，R2=10k?

但是這種方法會導致增大電壓的同時，增大輸出電壓噪聲。為了降低輸出噪聲，此處選用R3與C1，與R1并聯，降低輸出誤差的交流增益，此時得到正電源輸出電壓噪聲計算為式（20）所示，負電源輸出電壓噪聲計算如式（21）所示。

2 Ltspice仿真

Ltspice是ANALOG DEVICE(ADI)公司的高性能spice軟件，內部包含ADI公司的元器件的spice模型，適用于大多數開關穩壓器、運算放大器和通用電路的仿真。仿真功能多、速度快、結果準確。

2.1 放大電路仿真

在Ltspice仿真搭建如圖9所示的電路，其中光電二極管用理想電流源、結電容以及分流電阻替代，啟動Ltspice的噪聲分析，設置起始和終止頻率為1Hz到10MHz。

圖9 Ltspice仿真電路圖

單獨對跨阻放大電路進行噪聲分析可以得到如圖10所示的噪聲增益曲線。在低頻段，噪聲增益幾乎為1。但是由于在實際仿真中，反饋電阻存在雜散電容，導致實際反饋電容高于計算值，進而實際高頻增益低于計算值。

圖10 噪聲增益仿真

前置放大電路各個噪聲源的輸出噪聲密度曲線如圖11所示。可見在低頻段噪聲幾乎主要來源于反饋電阻的熱噪聲。當頻率逐漸升高時電阻熱噪聲密度逐漸下降，而運算放大器電壓噪聲密度逐漸升高。

圖11 噪聲密度曲線仿真

分別對跨阻放大電路和不加濾波器的跨阻放大電阻進行噪聲分析，可以得到如圖2-4所示的輸出噪聲密度曲線。由圖可知，在低頻段，兩條曲線幾乎重合，在高頻段由于低通濾波器有效濾除了運算放大器的輸入電壓噪聲，相比之下曲線衰減速度更快，頻率相同時，噪聲密度值更低。

圖12 電路輸出噪聲密度仿真

對輸出電路噪聲密度曲線積分可以得出輸出總噪聲曲線如圖13所示，跨阻放大電路的總輸出噪聲曲線最終收斂在129.14uV，而加上濾波器之后，總輸出噪聲曲線最終收斂在40.40uV。在滿足目標帶寬的前提下，噪聲減小了68.71%

圖13 電路輸出總噪聲

可見，低通濾波電路的添加在不影響電路帶寬的同時有效提高電路的信噪比。

2.2 電源電路仿真

對于電源模塊電路，在LTspice仿真軟件中搭建如圖14，圖15所示的電路仿真：

圖14 +15V電源電路圖

圖15 -15V電源電路圖

圖14為輸出電壓為+15V電路，圖15為-15V輸出電路，兩張圖各自上半部電路不帶降噪功能，下半部分帶降噪電路。在10Hz到100KHz上分別對電路進行交流分析，可以得到輸出噪聲均方根值為如下表格4所示：

表4 輸出噪聲對比圖

可見，通過在R1上并聯電阻、電容有效降低了輸出電壓噪聲值，使得輸出電壓更加穩定，減小了電源噪聲對檢測電路的影響。

3 結論

本文通過對紅外光電檢測電路的噪聲分析，設計了應用于微弱近紅外光檢測的高增益低噪聲前置放大電路。仿真結果表明：（1）合適容值的反饋電容可以有效降低電路在高頻段的噪聲增益，減少運算放大器輸入電壓噪聲密度，提高系統穩定性。（2）在滿足信號帶寬的前提下設計一階低通濾波電路可以有效降低電路的輸出噪聲，提高電路的信噪比。（3）通過在LDO外部電阻分壓器上并聯電阻電容，可以有效降低電源的輸出電壓噪聲。

該電路可以應用在兩相流流動狀態檢測和介質濃度檢測領域，作為信號采集放大部分記錄近紅外光信號的實時變化。