采用微弱光信号前置放大电路的光电检测系统
微弱信号检测前置处理模块电路设计
微弱信号检测前置处理模块电路设计孙韩【摘要】从Y光纤斐索型激光干涉微振动检测仪的微弱信号检测实际需求出发,基于高速DSP数据采集与处理系统,采用集成运放芯片AD620,设计了一种能实现前置放大、带通滤波、电平抬升、增益可调等功能的前置处理模块电路。
经实验测试,该电路设计具有抑制噪声、抗干扰能力强,信号放大、带通滤波效能高等的优点,能有效进行微弱信号前置放大、去噪等处理,为后续A/D转换和高速DSP数据采集奠定基础。
%According to the actual demand of weak signal detection of Y type optical fiber Laser in-terference micro vibration detector,based on high-speed DSP data acquisition and processing system, using the integrated operational amplifier AD620 chip,a kind of pre-processing module circuit which can realize function of pre-amplifier, band-pass filter, level up and gain adjustable is designed. Through experimental test,the circuit designed in this paper has a strong suppress noise and anti-in-terference ability,the advantages of signal amplification and band-pass filtering efficiency higher. It can also effectively amplify a weak signal and suppress the noise,and lay a foundation for subsequent A/D conversion and high-speed DSP data acquisition.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P598-601)【关键词】微小振动测量;微弱信号检测;前置处理模块;电路设计【作者】孙韩【作者单位】安徽大学电子信息工程学院，230601，合肥【正文语种】中文【中图分类】TN248微振动测量广泛应用于石油勘探，各种发电机组、机床及桥梁的振动监测，高层建筑晃动测试，船舶及飞机等的发动机振动分析中。
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比1光电检测电路的基本构光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图 1 所示2光电二极管的工作模式与等效模2．1 光电二极管的工作模光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图 2 所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流 1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
微光信号检测系统
基于AD549的微光信号检测系统引言近年来，随着微光技术及生物芯片技术的高速发展，各类的传感器、光电器件应运而生，广泛应用于工业，农业，军事等各大领域。
然而技术水平的不断提高就要求研究设备对微光信号的响应程度的大幅提高。
微光信号检测是发展高新技术、科学研究的重要手段，微光信号检测精度的高低往往会对产品的性能等起到决定性的作用。
在微光信号检测系统中，通常光电转换器件接收到的光信号都十分的微弱，转换后的电信号也非常的小（nA量级）。
因此，放大器噪声，背景噪声，电路噪声，外界电磁干扰等都会对检测系统的精度产生极大的影响。
为此，选择一个合适的低噪声高精度的前置放大器就显得至关重要了。
本文的微光信号检测系统选用的前置放大器是AD549。
它是具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器。
为达到高精度的目的，输入偏置电压和输入偏置电压漂移均通过激光调节。
这种极低输入电流性能由ADI公司专有的topgate工艺技术完成。
这样的放大器很好的满足了系统的需要。
1.微光信号检测系统的原理框图微光信号检测系统的原理框图如图1所示。
光信号由光电阴极转换为电信号输入到前置放大器中，经过一级放大的电压信号由二级放大器放大之后再输入到AD转换器件中转换成数字信号，之后经由单片机控制显示出来。
为了防止模拟电路同数字电路间的串扰，及前置放大器屏蔽的需要，本系统将两部分的电路分离开来。
光电检测电路由光电阴极和前置放大器AD549组成，数字显示电路由二级放大器OPA124PA，AD转换器件ADS7816，单片机及数字显示电路组成。
图1 微光信号检测系统的原理框图2.光电检测电路2.1 光电检测电路原理图2 光电检测电路图2为光电检测电路图。
光电阴极是一种灵敏度很高的光电器件，可探测极为微弱的光信号。
光信号经过转换之后输出微弱电信号到前置放大器AD549。
它有极低的偏置电流60fA，输入级具有1015Ω的共模阻抗，其输入电流与共模电压无关。
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计作者：秦正波任羊弟王辉来源：《现代经济信息》2017年第07期摘要：本文简要报道了微型超低噪音宽带快电荷灵敏前置放大器。
该放大器主要采用高增益宽带低噪音电压反馈型集成运放芯片OPA847，其低电压输入噪音低至0.85nV/Hz1/2，带宽高至3.9GHz。
整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，该前置放大器具有电路结构简单、紧凑，超高速，极低噪音，超高稳定性等优点。
经实验测试，该放大器能有效进行微弱信号的放大和噪音的抑制，可广泛应用于普通物理实验的光电探测的前置放大，科研上也具有较可观的应用前景。
关键词：微弱信号检测；前置放大器；超低噪音中图分类号：TN722 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2017）007-0-02The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurementQIN Zheng-bo，REN Yang-di，WANG Hui（Department of Physics， Anhui Normal University， Wuhu 241000， Anhui， China）Abstract： A miniature， ultra-low-noise， and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth， low-noise， voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan， which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple， compact， super-high speed， ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research.Key words： weak signal detection； pre-amplifier； ultra-low-noise引言在大学物理实验中的光电测量，光信息传输实验中的微弱信号检测或者飞行时间质谱实验中的质谱检测，无论光谱测量中使用的光电倍增管[1]，还是质谱实验中使用的微通道板[2-3]，最终输出的都是脉冲电子流，尤其是电子流具有瞬态性和高速性（10-9秒），而普通的低带宽的放大器无法有效的进行高速电子脉冲信号的放大，并且会造成时间积分上的拉宽，造成信号损失乃至丢失，最终可能不为采集装置所采集，因此从检测器上所获得的微弱信号，需要经过前置放大器进行预放大才可以被瞬态采集卡或者示波器进行信号采集及数据处理。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。
1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。
(1)光伏模式，如图1 (a)。
此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。
本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。
这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。
可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。
这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。
从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。
经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。
在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。
微弱光信号检测电路的设计
ElectronicComponent&Device Applications0引言光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。
它主要利用电子技术来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。
其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，本文应用光电检测技术来检测微弱光信号。
该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。
1电路基本原理用光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光→电流→电压的变换器。
首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。
其基本电路如图1所示。
假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U0=I P R。
理论上，系统的输出电压U0的值与输入电流I P成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。
而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od与偏置电流I b的影响，其输出电压总要产生误差。
误差电压一般为：U e=V od(1+R/R d)+I b R其中R d为光电二极管的结电阻。
由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差较小。
因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。
本设计选择AD795KN作为前置放大器。
2检测电路设计光电二极管所接收到的信号一般都非常微弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。
因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。
本检测系统由光电二极管、前置放大电路、滤波电路、主放大电路、A/D转换电路，MCU控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图2所示。
微弱光信号检测电路的设计杜习光（西南大学工程技术学院，重庆400716）摘要：从微弱光信号检测电路的设计方案入手，论述了光电检测电路的基本工作原理，给出了采用AD795KN为前置放大器来设计放大电路、有源滤波电路以及主放大电路，最终设计低噪声光电检测电路的一般原则。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
ｄｅｅ ｔｏ ｏｒ ｔ ｃｉ ｎ ｆ ｗｅ ｋ ｓｇ ｌ ｍｐ ｉｙｎｇ ｈｅ ｉｎａ －ｔ ｎｏｓ ａ ｉ ｎｄ ｈｅ ｔ ｂｌｔ ｐ ｏ ｌ ｍ ，ｈｅ ｅ ｉｎ ｏ ｌｗ ｎｏｓ ａ ｉｎａ ａ ｌｆ ｉ ｔ ｓｇ ｌ ｏ－ ｉｅ ｒ ｔｏ ａ ｔ ｓａ ｉｉｙ ｒ ｂ ｅ ｔ ｄ ｓｇ ｆ ａ ｏ ｉｅ ｐ ｔｅ ｅ ｔ ｃ ｓｇ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｉｃ ｔ ａ ｉｅ ｈ ｉｃ ｔｐａ ａ ｔｒｓ ｌｃｉ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｈｏｏ ｌ ｃｒ ｉｎ ｌａ ｌｆ ｇ ｃ ｒｕｉ， ｎｄ ｇｖ ｓｔ ｅ ｃｒ ｕｉ ｉ ｙｉ ｒ ｍｅ ｅ ｅｅ ｔｏ ｔ ｏ
了噪 声 ，而且 必 然 还 会 附加 一 些 额外 的 噪声 ，例
１ 基 本 电路
光 电二 极 管作 为 光 探 测 器 有 两种 应 用 模 式
收 稿 日期 ：０１ — ４ ２ ２ ２ ０—４
如图１ 所示 。
基 金 项 目 ： 部 级 以 上 基金 资 助 项 目ｆ 须 要 有 编 号１ 省 必
摘
要 ：分析 了微 弱光 信 号放 大 电路 的基本 工 作原 理 ，针 对光 电探 测 中对 微 弱信 号放 大带 来
的信 噪 比和稳 定性 问题 ，设 计 了一种低 噪 声光 电信 号放 大 电路 ，并给 出了电路 参数 选择 方法 。
关键 词 ：光 电探 测 ；光 电二极 管 ；放 大 电路 ；噪 声模 型
号 的 幅值 ，才 能 提 取 出有 用 信 号 。本 文 针 对 检 测 微 弱光 信 号 的光 电二 极管 放 大 电路 ，综 合 分 析 了 其 电路 噪声 、信 号 带 宽及 电路 稳 定 性 ．在 此 基 础 上 设计 了一 种 低 噪 声 光 电 信 号放 大 电路 ，并 给 出 电路 参数 选择方 法 。 ｅ ：监。
种弱光信号光电检测系统设计
目录1 引言................................................................................................. -2 -2 基本原理 ......................................................................................... -3 - 2.1 光电二极管的技术参数 ....................................................... - 3 - 2.2 光电二极管的种类 ................................................................. -4 - 2.3 光电转换电路 ....................................................................... -5 -2.4 前置放大电路 ..................................................................... - 7 -3 设计分析 ........................................................................................ - 7 - 4结果讨论 ......................................................................................... - 8 - 参考文献............................................................................................. - 8 -1 引言光的信息就存在于光强和相位中。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
采用微弱光信号前置放大电路的光电检测系统
时间：2010-08-01 00:30:47 来源：作者：
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。
1 光电检测电路的基本构成
光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图1所示。
2 光电二极管的工作模式与等效模型
2．1 光电二极管的工作模式
光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。
一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
2．2 光电二极管的等效电路模型
工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。
图中，IL为二极管的漏电流；ISC 为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs
为串联电阻。
由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。
在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。
CPD 是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。
耗尽层越窄，结电容的值越大。
相反，较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。
硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。
而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管的偏置有关。
与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。
当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD 的值。
寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。
这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。
3 电路设计
3．1 主放大器设计
众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。
由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。
本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为A／D转换电路，所需电压幅值一般为2 V。
然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。
其典型放大电路如图4所示。
该主放大器的放大倍数为A=l＋R2/R3，其中R2为反馈电阻。
为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。
即有
3．2滤波器设计
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。
为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。
这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。
该滤波器的幅频特性如图5所示。
图5中，f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：
B=f2-f1=f0/Q
式中，Q为品质因数，Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。
这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。
有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。
这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。
由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。
本设计选用了去处放大器来进行设计。
本设计选用了去处放大器来进行设计。
图6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其滤波电路采用有
源滤波器完成，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。
对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为fc，其传递函数为：
第二部分为高通滤波器，系统要求的高通截止频率为fc，其传递函数如下：
4 完整的检测电路设计
本光电检测系统设计的完整电路如图7所示。
为方便表示，电路中的R2、R3即为前面等效电路模型中的RT、RF。
前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成，这也是光电检测电路的核心部分，其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。
然而，虽然前级放大倍数可以设计得很大，但由于反馈电阻会引入热噪声而限制电路的信噪比，因此前级信号不能无限放大。
5 结束语
本文研究了光电检测系统的原理和设计方法。
通过从经济和实用的角度对相关的光电转换器件和前置放大器进行了选择和电路设计，从而确定了关键元器件的参数。
实际使用证明：该设计可以满足一般光电检测场合的需要。