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。其输入失调电压和漂移由激光分别调节到0.25mV和5μV/℃。700μA的最大静态电流使输入电流和偏置电压的热效应降到最低。模拟性能包括1MHz的均匀增益带宽和3V/μs的压摆率[1]。R F将信号电流转换成输出电压：

V OUT=R F×I S。

其中I S为光电阴极输出的电信号，其值与光功率的幅值成正比。

2.2电路噪声抑制

噪声处理是这个微光检测系统中中至关重要的一个环节，处理的好坏将直接影响检测系统的精度。电路设计，PCB线路板布线，电磁屏蔽，等都方面考虑。

电路设计方面:尽量的使供电稳压电路远离放大器，减少电源对敏感放大器的电磁干扰。在电路中增设电源滤波电容和放大器偏置电路滤波电容，以减少电源耦合噪声。在电路中采用的是单点并联接地的方式，这样各电路的电流只与本电路的地电流、地线阻抗有关，而与其他电路无关，地电流各自独立，互不干扰，在微弱信号检测中有很好的减噪效果[2]。

PCB线路板设计方面:为了尽量降低由于并行导线而产生的

分布电容噪声以及噪声源回路和受干扰回路之间的公共阻抗，检测电路板采用电感量很小的铜板条代替导线，这样有效的减少了回路的存在，从根本上抑制了线路板给系统带来的噪声。必须使用导线的地方也尽量使其靠近地平面，降低导线的分布电容。

电磁屏蔽方面:微弱信号对外界环境的影响也是非常敏感的，所以必须要进行相应的电磁屏蔽，系统屏蔽图如图3所示。

图3 系统屏蔽图

为了得到更好的屏蔽效果，系统采用多层屏蔽，它对电场和磁场都具有较好的防护。由于多层屏蔽之间不能连接在一起且各层屏蔽体的材料也不应该相同[3],系统采用了外铝内铁的屏蔽方式，两种材料都是良好的导体，这样有效的防止了外界的电磁干扰。在检测电路加屏蔽体的同时，信号线也用良导体屏蔽起来。导线屏蔽层与屏蔽体相连并在信号端接地，这种屏蔽接地方式才能很好的发挥屏蔽的作用而不产生干扰[4]。

3.数字显示电路

经过光电检测电路放大后的信号已经有mV量级了，接近普通信号水平，OPA124PA是一款低噪声运算放大器，偏置电流为2pA，失调电压和漂移分别为0.5mV和4μV/℃[5]。二级放大电路对前一级信号再进行放大，来满足AD转换芯片的需要，保证转换的精确度。ADS7816为12位的高速AD，信号经过转换之后再经由单片机控制数字显示模块进行显示。

4.结束语

本文主要是介绍了针对nA以上级的微弱光信号进行光信号检测系统的设计。系统从器件的选择，噪声抑制，电磁屏蔽等方面入手，很好的保证了测试系统的性能。经过实验调试，系统已经能测试10-11A量级的微弱光信号，基本达到了预期的指标。在微光技术不断发展的今天，这个低电平高精度的光信号检测系统一定会有广泛的应用前景。