李常青，杨晓娅

（郑州大学 信息工程学院，河南 郑州450001）

引言

微弱信号检测技术是利用电子技术对光学信息进行检测的一门新兴检测技术，在军事、工业、医疗及科学研究等领域有着广泛的应用［1-2］。对于微弱的光信号来说，一般先通过光电二极管把微弱光信号转换为电信号，再将调制到光载波上的有用信号解调出来［3-4］。通常一些信号动态范围很宽的信号（如雷达、声呐），一般线性放大器无法处理，且在保证分辨率的情况下要求模数转换器具有较高的位数。尤其对于微弱光信号来说，检测信号与噪声在强度上几乎处于同一数量级，给信号的检测带来很大的难度［5-7］。常用的一些微弱信号检测方法中需要用到诸如锁相放大器等仪器，电路设计结构复杂且价格昂贵［8］。基于对数放大器输入输出成对数关系，可以对宽动态范围的数据信号进行压缩变换再处理［9-11］。本文利用对数积分放大的原理设计了一种实用的微弱光检测电路，整体电路由单片机实现时序控制、数据采样及结果的处理，简化了电路结构。

1 电路设计分析

1．1 前置放大电路

光电转换的基本原理是当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，即将光信号转化为电信号。光电转换电路需要考虑的是：光电二极管、运算放大器和R∥C反馈网络。在微弱光检测中，光电二极管是光电转换的主要器件，其灵敏度和响应速度决定了检测系统的精度和工作速度。常用的光电二极管种类很多，本文采用了具有较高灵敏度和较低的暗电流的PN型（S1227-66B）和PIN型（LFSPD-2500）2种硅光电二极管作为光电探测器进行光电转换输出。

由于微弱光检测中输入光功率通常在nW量级以下，对应光电探测器输出光电流一般nA量级，因此要求前置放大器具有低输入噪声并能够响应小输入偏置电流的特性。本设计中前置放大电路的运算放大器使用了具有低偏置电流和低输入噪声的高精度运算放大器OPA111。

图1 前置放大电路Fig．1 Schematic of preamplifier circuit

图1 所示为硅光电二极管的光电转换及前置放大原理图。PN光电二极管工作在零偏置状态，理论分析可知，当电路工作在良好的线性条件下时，输出电压为

式中：Isc表示光照下光电二极管产生的光电流；S表示光电二极管的灵敏度；P表示入射光功率；R1一般取数百MΩ。电路中C1通常选取10pF左右，主要为了防止电路自激振荡和高频干扰，但同时限制了电路的带宽。

PIN光电二极管工作在反向偏压状态下，其光电转换电路的设计与PN光电二极管一致，只需要给PIN光电二极管加反向偏置电压，其结电容会随反向偏压的增加而降低，从而提高响应速度。

1．2 对数积分放大器

弱光入射下，前置放大电路的输出通常只有mV量级，因此需要低噪声放大器将信号进一步放大处理。对数积分放大器具有对数放大器的放大及压缩信号范围的作用，同时又具有积分放大器的放大及消除纹波干扰的作用。本设计中，对数积分放大电路如图2所示，对数放大部分由对称三极管A39及精密运算放大器OP07构成；积分放大部分由OP07及单片机控制的SPST模拟开关DG201ABK构成；其中电容C2和C3用于相位补偿，保证闭环工作的稳定性。

由于对数放大电路中2只三极管的性能参数相同，对数放大电路输入输出电压的关系为

式中：Uref为对数放大电路的输入参考电压；VT为温度的电压当量，其大小随温度变化而变化，为减小温度变化产生的误差，R7选用正温系数的热敏电阻进行补偿。

积分放大电路的充放电在单片机信号控制下交替进行。有光照时，开关S1闭合，S2打开，积分器工作，对数放大电路输出的信号电压通过R11、C11逐渐累积放大并输出；没有光照时，S1打开，S2闭合，C11上积累的电荷通过R13迅速放电，输出信号回到零，以便进行下一个过程。积分器输出的电压为

若式中各电阻阻值、电容C11、参考电压Uref及光电二极管的灵敏度S均为常数，则有：

式中a＝S×P／Uref。可见电路的输出电压由入射光功率的对数变换和积分时间决定。

图2 对数积分放大器原理图Fig．2 Schematic of logarithmic integrator amplifier

2 测试结果及分析

实际实验中，电路供电电源为±10V，测试光源为直流供电的红色发光二极管，其发光功率为5mW。通过调节发光二极管与光电二极管的距离调节入射光功率，入射光频率通过斩光器进行调制。

图3所示为入射光功率为0．5nW，频率为10Hz时电路各部分的输出波形。图中波形①为前置放大器输出波形；②为对数放大器输出波形；③为积分放大器输出波形。由图3的结果可知，前置放大器输出的信号很弱（mV级）且伴随有很强的高频干扰；经对数放大器后，输出信号达到数百mV且波形大大改善；在经积分放大处理后，干扰信号的影响被消除，其输出信号电压值也被放大到较容易进行模数转换处理的大小。

图3 电路输出波形图Fig．3 Output waveforms of circuit

为研究电路的入射光功率的输出特性，在固定入射光频率（10Hz）情况下，分别测量了2种光电二极管（PN型和PIN型）作为光电转换器件时，电路输出电压随入射光功率变化时的特性，其测量结果如图4所示。

图4 入射光功率的输出特性Fig．4 Output characteristics under different incident light powers

图4 所示的测量结果显示，2种光电二极管的输出基本一致，均随入射光功率的减小而减小。且在入射光功率变化约100倍时，电路输出的变化只有5倍左右，即对输入信号范围具有压缩功能。由输入输出关系可知，电路的输出主要决定于入射光功率的对数变换和电路的积分时间，因此可通过适当调节电路参数，实现更宽范围内的动态检测。

图5 入射光频率的输出特性Fig．5 Output characteristics under different incident light frequencies

为进一步研究电路的输出特性，在固定入射光功率（0．5nW）的条件下，测量了2种光电二极管（PN型和PIN型）作为光电转换器件时电路输出随入射光频率变化的特性，其结果如图5所示。结果表明，PN型光电二极管作为光电转换器件时，其灵敏度比PIN光电二极管高，因此，在入射光频率低于20Hz时，其输出值较大。但随入射光频率的增加，输出近似线性下降（频率由10Hz增至50Hz时，输出值下降了约90%）。PIN型光电二极管作为光电转换器件时，在频率由10Hz增至40Hz时，输出下降了约50%；而在输入光频率40Hz～50Hz范围，输出基本没有变化。这主要是由于光电流的建立需要时间，PN型光电二极管的结电容较大，随着入射光频率增加光电流的建立时间变短，信号输出减小；而PIN型光电二极管工作在反偏状态下，结电容较小增加了响应速度。

为验证电路的实用性，在入射光功率0．5nW与入射频率10Hz的条件下，分别利用2种光电二极管作为光电转换器件，测量了发光二极管的发光光谱，其测量结果如图6所示。测量结果表明，2种光电二极管检测到的光谱与实际光谱基本一致，具有相同的峰值波长。但由于2种光电二极管的光谱响应灵敏度有所不同，测量到的红色LED光谱图略有差异，如果对输出进行光谱矫正，可能会有更好的结果。

图6 红色发光二极管光谱图Fig．6 Red LED spectrum

3 结束语

本文利用对数积分放大的原理设计制作了一种微弱光信号检测电路。利用2种不同特性的硅光电二极管对电路的入射光功率及频率输出特性进行了测量和分析，电路输出波形显示，电路对高频噪声具有良好的降噪能力。对发光二极管发光光谱的实际测量与对比的结果表明，输出结果与参考光谱基本一致，在实际的弱光检测中达到较理想的效果。在实际制作及测量过程中，为使电路系统工作稳定，具有良好的降噪能力，可以通过光纤等引入光信号以避免工频干扰，使电路达到理想的效果。

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