微弱光信号检测电路的设计

Electronic Component &

Device Applications

0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U 0=I P R 。理论上，系统的输出电压U 0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。实验表明，基于本设计的检测电路可以有效测量微弱光信号，适用于一般光信号和微弱光信号的检测需要。关键字：

微弱光信号；光电检测

；AD795KN ；低噪声

Vol.12No.1Jan.2010

第12卷第1期

2010年1月

2010.1

姨

；

◇电流噪声在100Hz 处为0.6fA/Hz 姨；

◇在±15V 时的功耗为40mW ；◇增益带宽乘积为1MHz ；

2.2滤波电路的设计

为使电路设计简洁并具有良好的信噪比，设

计时还应用带通滤波器对信号进行处理。为了保证测量的精确性，可在前置放大电路之后设计“压控电压源二阶带通滤波电路”，其具体电路如图4所示，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入的噪声。其中放大器可选用LM741C 。

若U p (s )为同相比例运算电路的输入，比例系数为：

A 觶uf =U 觶o U

觶p

=1+R 9

R 5(1)

那么，当C 4=C 5=C ，R 5=R ，R 7=2R 时，电路的

传递函数为：

A u (s )=A uf (s )

·sRC 1+[3-A uf (s )]sRC +(sRC )2

(2)

令中心频率f 0=

12πRC

，电压放大倍数为：A

觶uf =A 觶uf

3-A 觶uf ·11+j

13-A uf

f f 0-f 0

f

f

f

(3)

那么当f =f 0时，其通带放大倍数为：

A 觶up =A 觶uf

3-A

觶uf =QA

觶uf (4)

其通频带为：

f bw =(3-A

觶uf )f 0=f 0

(5)

式中，Q 为品质因数，Q 值越大，随着频率的变化，其增益衰减越快。这是因为，中心频率一定时，Q 值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性越好。

2.3主放大电路

由于所检测对象本身为微弱量，因而所得到

图3前置放大电路

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