微弱光信号的光电探测放大电路的设计
关于光电检测电路的设计与研究
关于光电检测电路的设计与研究光电检测电路是一种用于检测光信号的电路，它可以将光信号转换成电信号，常用于光电传感器、光电开关、光电编码器等设备中。
光电检测电路的设计与研究在工业自动化、智能家居等领域有着广泛的应用。
本文将就光电检测电路的设计与研究进行探讨，希望可以对读者有所帮助。
一、光电检测电路的基本原理光电检测电路主要由光电传感器、前置放大电路、滤波电路、比较器等组成。
光电传感器是光电检测电路的核心部件，它能够将光信号转换成电信号。
前置放大电路可以放大光电传感器输出的微弱信号，提高信噪比；滤波电路用于抑制杂音和滤除干扰，提高电路的稳定性；比较器则可以将输出信号与阈值进行比较，判断光信号的强弱。
二、光电检测电路的设计要点1. 选择合适的光电传感器：不同的应用场景需要选择不同类型的光电传感器，比如光电开关需要选择具有高灵敏度、快速响应的传感器；光电编码器需要选择具有较高分辨率、较高信噪比的传感器。
2. 设计合理的前置放大电路：前置放大电路对于提高信噪比至关重要，需要选择合适的放大倍数和合适的放大器类型，同时要考虑电路的稳定性和抗干扰能力。
3. 合理设计滤波电路：滤波电路需要根据应用场景选择合适的滤波器类型，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器等，以滤除掉不需要的频率成分。
4. 选择合适的比较器：比较器需要选择合适的阈值电压和工作模式，以确保能够准确判断光信号的强弱。
三、光电检测电路的研究现状随着光电技术的不断发展，光电检测电路的研究也在不断深入。
目前，针对不同的应用场景，已经出现了许多高性能的光电检测电路方案，比如针对高速信号检测的差分式光电检测电路、针对低功耗应用的低功耗光电检测电路等。
一些新型的光电传感器技术也在不断涌现，比如基于纳米材料的光电传感器、基于微纳加工技术的集成光电传感器等，这些新型的传感器也为光电检测电路的设计提供了新的思路和可能。
四、光电检测电路的应用展望光电检测电路在工业自动化、智能家居、医疗仪器等领域有着广泛的应用前景。
光电探测器前置放大电路研究
光电探测器前置放大电路研究在弱光检测中,光电探测器将接收到的光信号变为微弱的电流信号,一般为微安数量级,光电探测器通过放大器将其转变为电压信号,只有经过充分的放大和处理才能被记录下来。
加州理工学院曾对光通信中微弱光信号的检测器使用不同特性的前置放大器,给出了各种比较数据,充分说明前置电路的性能决定整个系统的优良[1]。
前置电路若设计得好,会使探测灵敏度提高,从而更好地进行实验研究;反之,不仅会把输入信号和噪声放大,同时还会混进电子器件本身带来的新噪声,这对于实际实验的影响会非常大。
基于此点,有必要对光电探测器前置电路进行深入研究。
1光电探测器光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件,是光电系统的核心组成部分,在光电系统中的作用是发现信号、测量信号,并为随后的应用提取某些必要的信息。
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关[2],所以在给出性能参数时,要注明有关的工作条件,只有这样,光电探测器才能互换使用。
主要工作条件有:(1辐射源的光谱分布很多光电探测器,特别是光子探测器,其响应是辐射波长的函数,仅对一定波长范围内的辐射有信号输出。
这种称为光谱响应的“信号依赖于辐射波长”的关系,决定了探测器探测特定目标的有效程度。
所以在说明探测器的性能时,一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。
如果辐射源是单色辐射,则需给出辐射波长。
假如辐射源是黑体,就要指明黑体的温度。
当辐射经过调制时,则要说明调制频率。
(2电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能,噪声电压或电流均正比于带宽的平方根,所以在描述探测器的性能时,必须明确通频带和带宽。
(3工作温度许多探测器,特别是用半导体材料制作的探测器,无论是信号还是噪声,都与工作温度有密切关系。
所以必须明确工作温度。
最通用的工作温度是:室温(295K、干冰温度(195K、液氮温度(77K、液氯温度(4.2K以及液氢温度(20.4K。
(4光敏面尺寸探测器的信号和噪声都与光敏面积有关,大部分探光电探测器前置放大电路研究高科,孙晶华(哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:在弱光检测中,光经过光电探测器转换为电信号,此信号极其微弱。
关于光电检测电路的设计与研究
关于光电检测电路的设计与研究光电检测电路是一种使用光电传感器来检测光信号并将其转换为电信号的电路。
它在许多领域都有着广泛的应用，包括光电开关、光电编码器、光电传感器等。
在本文中，我们将对光电检测电路的设计与研究进行探讨，并介绍一种基于光电传感器的光电检测电路设计方案。
1. 光电检测电路的基本原理光电检测电路的基本原理是利用光电传感器对光信号进行检测，并将其转换成电信号。
光电传感器通常由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
当光信号照射到光敏元件上时，光敏元件会产生对应的电信号，然后通过信号处理电路进行放大、滤波和处理，最终输出符合要求的电信号。
（1）选择合适的光电传感器在设计光电检测电路时，首先需要选择合适的光电传感器。
根据具体的应用需求，可以选择光电开关、光电编码器或者其他类型的光电传感器。
在选择光电传感器时，需要考虑光敏元件的灵敏度、波长响应范围、工作距离、输出类型等参数，以确保选用的光电传感器能够满足设计要求。
（2）设计光源电路对于一些需要主动照射光线的光电传感器，还需要设计光源电路。
光源电路可以选择LED、激光二极管等作为光源，通过适当的驱动电路将其与光电传感器相连，为光敏元件提供足够的光源使其能够正常工作。
（3）设计信号处理电路信号处理电路是光电检测电路中的关键部分，它能够对光敏元件产生的微弱信号进行放大、滤波和处理，最终输出符合要求的电信号。
在设计信号处理电路时，需要考虑信噪比、动态范围、带宽、响应时间等因素，以确保信号处理电路能够有效地提取出光敏元件中的信号并进行合适的处理。
3. 基于光电传感器的光电检测电路设计方案基于光电传感器的光电检测电路设计方案通常可以分为三个部分：光源驱动电路、光敏元件接收电路和信号处理电路。
下面将对这三个部分进行详细的设计说明。
光源驱动电路通常采用LED作为光源，通过一个适当的驱动电路来控制LED的亮度。
常用的LED驱动电路有恒流驱动电路和脉宽调制驱动电路。
微弱信号检测的前置放大电路
3.2 工频噪声和环境噪声的隔离
工频噪声是影响电路的主要噪声，通常可 通过电路的电源传递到电路中。为了减少 这种影响，在电路设计时应在连接电源处 增加旁路电容，隔离电源的交流噪声。除 了这些措施外，为了滤除50Hz 的工频干扰， 还可以在模数转换时采用具有50Hz 陷波的 模数转换器。另外，数字电路部分与模拟 电路部分分别接地，尽量减少模拟电路的 接地点同时采用画圈接地的方法都可以有 效的隔离噪声。
电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构，通过程控开关 调整反馈电阻的大小，从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电 路进行隔离，程控开关选用光偶开关。为了提高仪表放大器的性能， 可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪表放大 器，如INA127，它内部集成了仪表放大器的主要结构，有很好的对 称性，可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202 是一款可 程控放大倍数的仪用放大器，应用它可以简化电路结构，但PGA202 需要搭建差分输入级，这样就降低了共模抑制能力。2007 年末ADI 公司推出的AD8253 芯片集以上两种芯片的优点于一身，不但集成 了完整的仪表放大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路，是微弱 信号检测前置放大电路的理想选择。
9
图3 PGA202 的内部结构
10
在图 3 中可以看到， A0 和A1 为数字程控信号 的输入端，控制PGA202 中集成的前置逻辑电路， 通过改变A0、A1 的值可以使仪表运算放大器的 倍数在1、10、100 和1000 之间改变。
4.2 滤波器的设计
为了加强滤波器滤除噪声的能力，笔者采用了二 阶低通滤波器，并在滤波器的设计过程中选择了 同样的电容电阻组合。滤波器的截止频率可通过 公式RC2 f 1 0 0 ω = π = 来进行计算，由于 生物传感器的信号多为低频信号，因此可以将低 通滤波器的截止频率设计的低一些。在笔者所设 计的电路中，电阻值100kΩ，电容值33nF，截 止频率为48Hz。
纳伏级微弱信号放大电路的设计
纳伏级微弱信号放大电路的设计摘要：从当前我国通信行业发展情况来看，其为工程测量工作开展奠定了坚实基础，纳伏级微弱信号放大电路的设计可以实现对信号有效调理，并且降低噪声，其主要运用了多级放大电路的组态形式，并且利用仿真软件对系统噪声进行了分析，使得信噪比得到改善。
基于此，本文也尝试对纳伏级微弱信号放大电路设计进行了深入探讨。
关键词：纳伏级微弱信号；放大电路；设计随着我国科技水平的不断提升，对于微弱信号检测技术的研究不断深入，弱光检测技术、微振动检测技术以及低电平电压检测技术等等进入到人们视野。
由于被检测目标信号极其微弱，如果运用普通的电子器件对其进行检测操作，往往存在较为严重的误差，这也使得最终的检测结果浮动范围不符合要求，这时候则需要运用微弱信号检测技术，其主要是通过放大器来保证其输入阻抗得以提升，而输出阻抗则尽可能降低。
目前来看，在开展弱信号检测工作时，不仅对检测器件有很高的要求，同时也对待测信号的动态范围以及响应速度有严格要求，只有保证其各方面要求符合标准，才能使最终检测结果准确性得到保证。
1.关于微弱信号及其检测的基本简介对于微弱信号检测来说，其在实际开展过程中，主要是利用电子学以及物理学等方法来尽可能恢复被噪声所掩盖的微弱信号，从而达到提取信号以及运用信号的目的。
从当前我国微弱信号检测技术发展情况来看，其主要是从提高检测系统输出信号的信噪比入手，从而实现对现有微弱信号的放大。
通常情况下，在开展微弱信号检测工作时，前置放大器是噪声引入的主要部件之一，因此在进行微弱信号检测设计时，首先应该注意保证第1级的噪声系数足够小，这样才能使最终检测准确性得到保证。
在对整个检测电路的噪声系数进行控制时，应该以前置放大器的噪声系数为基础，由此可以看出，系统前置放大器的选择以及相关电路设计非常重要，直接关系到后续各项检测工作的开展。
当前，微弱信号检测电路的基本结构为：微弱电压信号——电压放大电路——带通滤波电路——A/D转换电路。
微弱光信号检测电路的设计与实现
图 １．５ 高阻型前置放大器 （３）跨阻型前置放大器 对于具有恒流源特性的光电探测器， 采用 高阻负载将有利于获得大的信号电压， 故希望采用高阻放大器。但高 负载电阻与探测器分布电容和放大器输入电容将增加 ＲＣ 时间常量， 影响系统的高频响应， 并使其动态范围减小， 通常采用跨阻放大器或 并联反馈放大器克服这一缺点， 它是光纤系统中常采用的前级放大电 路。这种连接方式具有载噪比高， 灵敏度高和频带较宽等优点， 但放大 器设计较复杂， 且负反馈阻值限制了放大器的增益。 跨阻放大器的结构框图可以用图 １．６ 表示。由基本放大器和一个 跨接在输入输出端之间的电阻构成。这种放大器利用电阻 Ｒｆ 提供电 压并联负反馈， 减小了放大器的输入阻抗， 增加了带宽。
针对光功率为 １０ｎＷ－ １００ｎＷ 的直流弱信号检测， 分析 各 项 参 数 ， 设计了实际检测电路。这里， 我们选择 ＰＩＮ 光电二极管， 对于直流低频 弱信号进行精密测量， 选择采用暗电流小， 线性度好的零偏置光电压 模式。前置放大电路采用了跨阻连接方式， 跨接了一个 １００ｋΩ的反馈 电阻。对于反馈电阻的选取， 不宜过大， 过大， 电路稳定性变差， 易造成 干扰， 测量时间变长。并接 １０ｐＦ 的反馈电容， 抑制， 平滑噪声干扰。并 采用 Ｔ 型负反馈电阻网络的前置 Ｉ／ Ｖ 转换放大电 路 ， 不 仅 可 减 小 切 换稳定时间， 加快衰减， 而且保证了测量放大倍数， 达到了测量准确度 的要求。图 １．７ 是完整的微弱直流信号检测电路。
１．光电检测电路的设计
微弱光信号检测电路设计， 包括以下几个部分， 首先对于光信号 进行光电转换， 通过光电探测器将光功率转换为光电流， 之后经过前 置放大器将光电流转化成为电压形式， 再通过运算放大器对于转化的 信号进行第二级放大， 变成可检测信号。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， 即将光信号转化成电 信号。而对于微弱信号检测中， 前置放大起着至关重要的作用。微弱信 号检测原理框图如图 １．１ 所示：
光电信号检测电路设计
R R R R
T1 2
T2 1
电桥输出信号为0。
U 0 O 33
有外来辐照时，引起电阻温升，有
R R R
T1
01
R 为热敏电阻 T1
R 01 为暗电阻 电桥平衡破坏，输出电压为
U
U bR2R
0
(R R R )(R R )
01
1
T2
2
此式可进一步简化。
34
7.2、光电信号检测电路的动态计算
I S
p
0
RL 0
sc
I S
24
25
（2）空载电压输出
区域Ⅳ，是一种非线性电压变换状态。此时 光电池通过高输入阻抗变换器与后续放大电 路连接，相当于输出开路。
U
KT
I ln( p
1) U
I ln p U
S ln
oc
T
T
q
I
I
I
0
0
0
开路电压最大值受势垒高度限制， 通常为0.45—0.6V。
交流负载线
直流负载线
阻抗匹配下（最
大功率输出）的
峰值电压、功率、 电流 S E
U Em m0 2G L0
P Lm
(S E Em )2
1
G L 0U
2 m0
8G L0
2
1 I m 0 2 PLm / U m 0 S E E m
2
37
交流负载线
静态工作点Q的电流值 由直流负载线有
此外，阻抗匹配时，Q点电压
7
（a），减小负载（斜率增大），使输出信号电流增大而电压减小。负载的 减小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M 进入非线性区，使信号失真。
弱信号放大电路的设计
弱信号放大电路的设计摘要：依据仪表放大器的工作原理，利用德州仪器公司的TLC2652设计了一低频弱信号放大电路。
通过Multisim软件仿真分析，该电路具有极高的输入电阻，极低的输出电阻，共模抑制能力很强，能放大频率在0～300 Hz内的微伏级信号，且该电路的工作稳定，失真度小。
关键词：弱信号放大；TLC2652；仪表放大器0 引言在研究自然现象和规律的实践中，经常会遇到检测被强背景噪声淹没的微弱信号问题，如地震波的分析、卫星信号的接收、植物电信号、医疗中脑电波的分析等。
这些问题都归结为微弱信号的检测。
微弱信号检测与处理是随着工程应用而不断发展的一门学科，采用一系列信号处理的方法，检测被噪声背景淹没的微弱信号。
由于在微弱信号检测与处理系统中，我们获取的信号是极其微弱的，因而我们不能直接选用普通的放大器，否则放大器的本底噪声就可能淹没了我们的实际信号，所以在这一过程中，如何在抑制噪声的前提下增大微弱信号的幅度是我们获取有用信号的关键。
本文主要以直流与低频信号为研究对象设计一弱信号放大器，并进行仿真分析。
1 集成运算放大器的选择随着集成工艺与电子技术的发展，集成运算放大器的性能越来越好。
TLC2652是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。
斩波稳零的技术使TLC2652具有优异的直流特性，将失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响降低到了最小值，因此TLC2652非常适合用于微信号的放大。
1．1 TLC2652的内部结构如图1所示，TLC2652主要由5个功能模块构成：(1)主放大器(Main)：与一般的运算放大器不同，它有三个输入端。
除引出芯片外部的同相和反相输入端外，其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。
(2)校零放大器(Null)：它也有三个输入端，但与主放大器相反，在芯片内部的输入端是反相输入端。
(3)时钟和开关电路：内部时钟产生时钟信号，控制各开关按一定的时序闭合与断开。