低噪声光电检测电路的设计与仿真

低噪声光电检测电路的设计与仿真

【摘要】本文在研究了光电检测电路的工作原理和基本组成的基础上，基于电磁兼容和可靠性设计准则，开发了一种能够响应100nA弱电流的光电检测电路。并使用PSpice软件对系统进行电路级仿真，得出电路理论的检测电压输出波形，验证了系统原理的正确性和方案的有效性。本文设计的电路方便灵活，扩展性和移植性好，具有广泛的实用价值。

【关键词】光电检测；PSpice仿真；低噪声；弱信号放大；整流滤波

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，它通过光学系统将待测量的非电量信息转换为便于接收的光学信息，然后利用光电探测器接收光信号，并最终转化为直观的可以测量的电压信号。

光电检测电路是沟通光学和电子测量系统的桥梁，视为检测的第一步，光电检测电路的设计对整个系统的工作品质至关重要。工业现场是复杂的电磁环境，存在丰富的干扰源，实际检测的信号又是微弱的光电流，所以电路设计难度大，必须保证系统可靠、工作稳定、电磁兼容性好。

计算机仿真分析是电路设计的一个重要环节，本文在方案制订和电路设计的过程中，采用现代先进的EDA设计方法，引入PSpice仿真技术对光电检测电路进行电路分析，保证电路设计的正确性和完整性，从而大大缩短了产品开发时间和上市周期[1]。

1.光电检测电路的基本构成

光电检测电路是光电检测系统的接收单元，要实现信息的转换和采集，光电探测器必不可少。探测器转换输出的电信号较小，为便于信号的传输和后续电路处理，减少背景噪声的干扰，需要对其放大处理，基本的光电检测电路。

2.光电检测电路设计

本文下面设计的光电检测电路是应用于智能烟火探测器的烟雾信号检测。鉴于离子感烟探测器的高污染，项目采用散射式光电感烟探测器。由于发光管和接收管之间没有直达路径，无火灾情况下接收管接收不到光，不会产生光电流。火灾发生时，烟雾进入检测室，由于烟粒子的存在，使发光管发射的光产生漫射，这样接收管接收光、产生光电流，从而实现了烟雾信号的检测。

光电检测电路通常都是从强噪声环境中提取有用信号，因此必须保证设计的电路信号检测能力强、抗干扰能力好。为抑制工业现场各种电磁干扰和背景光干扰，发光-接收对管采用PWM驱动，工作于940nm的近红外长波段区。参考图

1，下面给出具体的电路分析。

2.1 电流-电压变换电路

PIN光电二极管具有频率特性好，线性输出范围宽，灵敏度高等优点，是目前光电检测电路中广泛使用的光电转换器。用PIN光电二极管组成的检测电路，实际上是一个光—>电流—>电压变换器[2]。

PIN光电二极管D7工作在两端无偏压的光伏模式，在这种状态下，光电二极管可非常精确地线性工作，没有“暗”电流（无光照电流），电路主要噪声来源于反馈电阻的热噪声[3]。D7在受到光照时，产生一个与照度成正比的反向短路电流，根据运算放大器“虚短”、”虚断”特性，转换电路输出信号电压V1为：

（1）

为了提高烟火探测器的检测灵敏度，要求光电检测电路能够响应100nA的光电流。因为实际的运放不可能是理想的，都存在输入失调电压，输入偏置电流等问题，这些都会影响输出电压信号。尤其在检测低至nA级电流时，使用普通运放将使信号淹没在噪声中，因此要选用专门的低噪声运放。本设计选用ST公司的低噪声、高阻抗运算放大器TS912BI，其具有如下性能指标：

◆输入偏置电流：25℃时，最大为150pA

◆失调电压：25℃时，最大为2mV

◆失调电压温漂：典型为5?V/℃

◆增益带宽乘积1MHz

反馈电阻R14高达470K，很小的电流噪声就会造成运放产生自激振荡，在反馈电阻两端接入校正网络C15，不仅可以稳定反馈环路、抑制增益峰值，而且还构成一个低通滤波网络，减小噪声带宽，提高输出信噪比，该滤波电路的截止频率为

（2）

2.2 前置放大电路

理论上，I-V转换电路中反馈电阻越大，输出信号增益也越大，然而，阻值不可能无限大，检测对象本身又是nA级的弱电流信号，所以经过I-V转换后的电压信号不能直接驱动AD采样电路，需要级联一个放大电路。

显然，前置放大电路通过级联两级同相放大器实现[4]，每级电路通过电子开关U4C和U4D各预留给用户一个控制接口。电子开关的通断控制同相放大器

电压放大倍数，进而可以实现光电检测电路的自检等功能，用户可灵活配置，这里不做深入研究。

同相放大器是一个深度电压串联负反馈电路，输入电阻高，输出电阻低，所以偏置电流噪声小，前后两级需要一个阻抗匹配电路，如图3中电阻R7和R8。电压放大倍数为Auf=1+/，其中为反馈电阻，分别为R11和R12；受电子开关控制，开关导通时，分别是R18和R19并联、R20和R21并联。光电检测电路工作时，电子开关U4C导通、U4D闭合，所以交流电压放大倍数，第一级为20，第二级为2。

我们知道，运放单电源工作时，仅需要单路电源供电，大大简化了系统电源种类而日益受到重视。根据参考文献[5]，在运放的两个信号输入端，同时对地偏置VCC/2，偏置电压VCC/2不仅不被放大，有效信号也能获得足够的电压放大倍数，并且不会出现负半轴交流信号截止失真现象。设计最终采用运放跟随器偏置方法，如图4所示，通过电阻分压和电压“跟随”，可以获得精准稳定的VCC/2偏置，即2.5Vdc。

综上所述，经过两级同相放大后的电压信号幅值为：

2.3 滤波调理电路

前置放大电路的输出波形，幅值已经达到伏级，但是本系统中由于接收的是占空比很小的脉冲信号，而我们感兴趣的是脉冲信号的峰值电压，因此AD之前要进行整流滤波处理。由于前面设计的电路，都是基于VCC/2的直流偏置电压，所以信号到这一级，仅有正半轴波形，从而省略了整流部分，一级一阶滤波网络即可完成。

滤波调理电路由一阶带通滤波器组成，电子开关U4B也是预留给用户的控制接口，系统检测时开关导通。根据运放“虚短”和“虚断”的特点，该带通滤波器的通频带和电压放大倍数为：[6]

R9、C13组成RC低通网络，根据公式5，截止频率1.6Hz，至此输出电压V5是携带检测信息的直流峰值电压波形，可以进行采样处理了。

3.光电检测电路仿真与分析

综合上述电路，I-V变换电路和前置放大电路设计已经相当成熟，现主要应用OrCAD PSpice软件对滤波调理电路进行仿真分析，如图6和7所示。

滤波调理电路的3dB截止频率为3Hz和20Hz，PIN光电二极管检测到100nA 光电流时，电路输出波形为4.3162V的直流电压，性能指标满足设计要求。

4.结论