一種醫用光電檢測前置放大電路設計

　　4 I/V轉換設計

　　光電二極管輸出的電流信號難以被電路直接放大，一般都是先經過I/V轉換電路轉變為電壓信號。本設計I/V轉換電路采用成熟的跨阻放大器來實現，基本電路模型如圖 5所示。

　　通常I/V轉換電路使用FET型輸入的運算放大器實現，應選擇偏置電流小，輸入電容低和失調電壓溫漂系數低的高開環增益運放，此外需著重關注電流噪聲、電壓噪聲、輸入電容、增益帶寬積等參數。在本設計中，I/V轉換部分信號帶寬最小取3MHz，運放的增益帶寬積選擇由反饋電阻Rf、總輸入電容Ci和信號帶寬共同決定。總輸入電容Ci為二極管電容與運放輸入電容之和。

　　通常運放的輸入電容為幾個pF，S1223在反向偏置時的結電容為20pF，估算走線電容為2pF，運放的輸入電容取8pF，因此取Ci=30pF計算。圖5中的電路在45°相位裕度的時候有下面的公式關系，其中f2表示帶寬高限頻率，此處即3MHz，ft表示運放的最小單位增益帶寬。

　　根據系統光信號在光電二極管S1223上的電流范圍、板卡輸出電壓信號峰峰值確定I/V變換電路的反饋電阻取R2 =6.2kΩ，根據上面公式得I/V變換的運放增益帶寬積必須大于10.5MHz。綜合上述考慮，本設計采用ADI公司的AD8034實現，其增益帶寬積為80MHz。

　　另外在I/V變換電路中，為了使電路穩定，需要在反饋電阻上并聯一個電容，以減少電路的不穩定性，即圖5中的Cf。根據下面信號帶寬計算公式

　　由f2 =3MHz，Rf = 6.2kΩ，反饋電容的最大值Cf =8.5pF。

　　Cf的最小值由下面公式給出：

　　該值將給出約45º的相位容限。對于AD8034，增益帶寬積為f u = 80MHz，計算得反饋電容的最小值為3.1 pF。因此I/V級反饋電容Cf的范圍是3.1 pF ~8.5pF，綜合考慮到PCB(印制電路板)走線等電容和物料選擇，取I/V反饋電容為5pF，該級電路信號帶寬為5.1MHz，最終的電路設計如圖6。

　　5 信號調理輸出設計

　　光電流信號經過I/V轉換后，可獲得較大的電壓幅度，后級可根據前置放大電路增益需求安排單級或多級放大，本設計采用單級實現10A放大，同時引入5pF的反饋補償電容，本級電路信號帶寬3.18MHz。對散射光前放電路而言，噪聲主要由第一級決定，因此對后級放大器的要求不高，出于簡化物料需要，同樣選擇ADI公司的AD8034。放大環節后采用2階巴特沃茲低通濾波來消除信號帶寬以外的噪聲，截止頻率約為2.56MHz，通帶增益為1。根據放大倍數、帶寬和增益帶寬積間的簡單關系，同樣選擇ADI公司的AD8034。同時，為了去除低頻信號的干擾，電路中引入一級由RC電路組成的高通電路，截止頻率根據R2、C2值可簡單計算得到高通截止頻率為16Hz。