王 直，刘晶晶

（江苏科技大学 江苏 镇江 212003）

近几十年来，随着科学技术尤其是医学技术的发展，各种生化分析仪器也取得了飞速的发展[1]。生化分析仪是用来对人体的血液、尿液等体液中各种生化成分进行定量检测和分析的仪器。人体体液的生化指标在临床疾病诊断和治疗上具有重要的参考价值，是临床的重要参考资料。而对各种化学成分进行分析，首先就是测量待测液的吸光度，因此吸光度测量环节对检测结果的准确性有极其重要的影响。文中着重阐述了采用对数放大电路的设计来求得吸光度，该设计同时也便降低了整个系统设计中软件的负荷。

全自动生化分析仪，是基于物质对光的选择性吸收即分光光度法开发的一种分析仪器，以朗伯-比尔定律为测量原理。朗伯-比尔定律[2]表达式如下：

上式表明，当特定波长的单色光通过溶液时，样品的吸光度与溶液中吸收物浓度和光通过的距离成证比。自动生化分析仪就是通过检测样品对某种单色光的吸收程度，以及反应过程中吸光度的变化来计算样品中待测成份的含量。

通过光强获得溶液吸光度，常用的有两种方法：一种是直接测量光强，然后在数据处理中通过对数计算公式计算出吸光度；另一种是采用对数放大电路，将光强信号直接转换为吸光度信号，然后再由数据采集系统进行A/D转换和数据处理。第二种方法中，通过对数放大电路将测得的光信号直接转换为吸光度，可以简化A/D转换电路的设计，并降低对A/D转换电路位数的要求。本文介绍两种利用晶体管对数特性设计的测量吸光度的对数放大电路。并通过实验证明，两种电路都能较好地完成其对数放大功能，而利用芯片log114搭建的电路运算精度更高，能够在医疗器械中得到广泛的应用。

1 放大器电路工作原理

对数放大器的基本原理就是利用半导体PN结的伏安特性，实现对数运算，其电路如图1所示。在一定条件下，集电极电流ic与基-射极电压VBE之间具有较为精确的对数关系[3]。

图1 对数放大器原理图Fig.1 Principle diagram of logarithmic amplifier

图1中，利用理想运算放大器的虚地概念，可得：半导体三极管T的ic～VBE关系为：

可得：

从式（4）可得出，输出电压Vo和输入电压Vs成对数关系。

由于半导体三极管对温度的变化极其敏感，所以图1的电路并不能得到真正的应用。为了避免温度变化造成的影响，使用温度特性相同的三极管对来补偿温度变化对对数放大器造成的影响。

2 分立元件的对数放大电路

分立元件的对数放大电路[4]的工作原理如图2所示。该电路中主要使用了两片高精度OP07和三级管对LM394。后者是在一个硅片上在同样条件下用相同工艺制造出的三极管对，因此具有完全相同的温度特性。其中，2个三极管的基—射极电压VBE的计算公式为：

式中，IC—集电极电流，IS—反向饱和电流，VL点电压的计算公式为：

由图2可知，

图2 分立元件的对数放大电路Fig.2 Logarithmic amplifier circuit based on discrete components

因为QB1和QB2是LM394的一个三极管对，特性完全相同，所以 VT1=VT2=VT，IS1=IS2=IS，那么上式简化为：

由图2可知，

将式（7）式代入式（9），得到：

由式（11）可知，输出电压与输入电压成对数关系，并且可以补偿三级管的温度影响。R3选用正温度系数的电阻，还可以补偿VT的温度变化。

3 log114对数放大电路

Log114是一款由2个对放大器 （由A1和A2及2个光电二极管）、一个差分放大器A3、2个独立的运算放大器集成于一个芯片构成的直流高速度、高精度对数放大器。图3是log114用于测量吸光度的原理图[5]。

图3 log114对数放大电路原理图Fig.3 Principle diagram of log114 logarithmic amplifier circuit

图3中，D1接收透过比色杯的透射光，D2接收入射光。

Log114的对数表达式为：

与log114芯片对数放大电路相比，分立元件的参数均为离散分布，元件精度不一，因此用分立元件设计的对数放大电路其精度及动态范围等指标都具有局限性。因此芯片制造商生产的专用对数放大芯片或器件，相比之下更能达到较高的精度和动态范围。这里我们选用TI公司的精密高速对数放大器log114完成对数放大电路的设计。如图4所示。

图4 log114对数放大电路图Fig.4 log114 logarithmic amplifier circuit

图3中的电路集成在同一个芯片上，采用相同的半导体制造工艺，因此各元器件和电路的温度特性相同。元器件离散分布的参数更容易控制，所以能够达到更高的精度。内置的两个通用运算放大器可以用于信号放大、量程迁移等用途，从而进一步简化了电路的设计，缩减了电路的面积。

Log114是专用于放大光网络通信系统（ONET）中光纤线缆输出的光电二极管信号。它不仅可用于工业与医疗光学密度/吸收率测量，还能压缩ADC前端的高动态范围信号。因此log114可以与光电二极管等光电器件直接相连使用[6]。

4 实验结果

对图2的电路和图4电路分别进行测试。在对数放大器输入端加给定电压，在输出端测量对数放大器的输出。电路2的测试结果如表1所示，关系曲线如图5所示。

表1 图1实验结果Tab.1 The result of Fig.1

图5 图2电路关系曲线Fig.5 Relation curve of Fig.2 circuit

由关系曲线计算求得拟合曲线的表达式为：

标准偏差SD=0.047 85。

如下所示，表2和图6为图4实验数据与关系曲线图。经过拟合得到关系表达式为：标准偏差：SD=0.001 19

表2 图4实验结果Tab.2 Result of Fig.4

5 结 论

上述实验数据及关系曲线表明，图2和图4所示两种电路在给定的测量范围内均能很好地完成对数运算。由拟和曲线可以看出，由图4对数放大器设计的放大电路，进行对数运算具有更高的精度，与数据手册给出的表达式基本一致。所以将图4中的对数放大电路用于生化分析仪，可以实现高精度运算，确保生化分析仪测量结果的准确性、可靠性。

图6 图4电路关系曲线Fig.6 Relation curve of Fig.4 circuit

[1]王楚华.基于ARM7的半自动生化分析仪的研究和设计[D].镇江：江苏大学，2009.

[2]乔艳红.全自动生化分析仪电子系统的研究与设计[D].济南：山东大学，2011.

[3]康华光.电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2009.

[4]王海龙，唐永刚，宁建国.生化分析仪两种对数放大电路的设计[J].分析仪器，2005（1）:13-18.

WANG Hai-long，TANG Yong-gang，NING Jian-guo.Design oftwo kindsoflogarithmic ratio amplifiersused for biochemical analyzer[J].Analytical Instrument，2005（1）:13-18.

[5]Texas Instruments Corporation.LOG114datasheet[EB/OL].（2007）.[BE/OL].（2011-18-24）.

[6]德州仪器推出极大动态范围的高速率高精度对数放大器.[BE/OL]. （2011-18-24）.http://www.hqew.com/tech/news/243476.html.