對數放大器在弱光檢測中的應用

摘要：為提取弱光檢測電路中淹沒在噪聲中的信號，通常使用高精度放大器尤其是對數放大器來提高電路濾除噪聲的能力，其中以對數放大器LOGl00為前置放大電路的光電檢測電路效果最佳。基于這種電路，提出一種低噪聲弱光電檢測電路設計方案，以電子元器件相關參數的選擇和依據，檢測LOGl00的輸出效果。測量結果表明，輸入光信號功率高于l nW，LOGl00噪聲濾除性能良好，而低于l nW時則輸出噪聲明顯增強，可能導致A／D轉換輸出錯誤，不利于后續數據處理。
關鍵詞：弱光；檢測；光電轉換；對數放大器；噪聲；LOGl00

弱光檢測通常是先將光信號通過光電器件轉換成電信號，再經前置放大電路放大后，由A／D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號進行分析處理。弱光檢測技術廣泛應用于現代通信、醫療和科研等領域。弱光檢測電路一個重要性能指標是對噪聲的濾除能力，但在弱光檢測時，光信號與噪聲幾乎處于同一數量級，信號很容易淹沒在噪聲中，不利于后續電路處理。傳統方法是采用電路級聯來濾除干擾，放大信號；但這種電路需用精密電阻，且設計復雜，電路體積大，可靠性差。隨著集成對數放大電路的發展，其寬動態范圍、高精確輸出的顯著特點，光檢測電路也得到不斷發展與完善，對數電路具有優異的數據壓縮性能，可將很寬的輸入動態范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍內。因此，這里提出一種以LOGl00作為前置放大的弱光檢測電路設計方案。

1 電路設計與分析
1．1 光電轉換電路
圖1為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率。在檢測弱光信號時，RF為提高增益，RF的取值應選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調電壓VB對輸出電壓的影響分別為IBRF和，Rs為光電二極管內阻?？梢钥闯觯瑴p小RF可以減少以上影響，但同時會減小電路的增益。解決這個問題需選擇偏置電流和失調電壓均很低的運算放大器。這里選用0PAlll型高精度運算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調電壓約100μV。經過計算，RF的值取在幾百MΩ范圍內時，上述影響可以近似忽略，能夠滿足電路的要求。

1．2 前置放大電路
由于光電轉換電路的輸出信號通常在mV數量級，且信號常常淹沒在噪聲中，因此前置放大部分需有較強的濾噪和放大能力。選用精密對數放大電路LOGl00與外圍元件構成前置放大電路。圖l虛線框內所示電路為LOGl00的簡化內部電路，其動態輸人范圍1 nA～1 mA，滿跨度輸出誤差(FSO)低于0．37％，與精確對數關系最大偏離小于O．1％。同時，內部還集成有激光校準電阻，使得該對數放大器在環境溫度變化時仍能保持精確輸出。LOGl00有4個選擇端，通過不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見文獻。
由文獻可知LOGl00的輸入輸出關系為：

2 結果分析
在弱光測試實驗中，光電二極管使用S1227-66B型PIN硅光電二極管，該器件靈敏度高，暗電流小。為了減小干擾，實驗時電路封裝在金屬盒內，采用±lO V直流穩壓電源供電，電源線與信號線均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發光二極管輸m的周期性光脈沖信號，周期T=105 ms。使用數字示波器觀察并記錄光電轉換電路的輸出和前置放大電路的輸出信號。