自平衡差分探测器研究

卢艮萍，王强龙，李传亮，王青狮，魏计林

(太原科技大学 应用科学学院，山西 太原 030024)

在大气痕量气体的探测中，应用较为广泛的一种技术就是可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术，它是利用激光器波长调谐通过被测气体的特征吸收区对光谱进行直接吸收。直接吸收光谱就是以波长为函数记录被测气体对入射光吸收的原形吸收线，由测量获得的线性、线宽和强度可以计算出分子的吸收截面，进而计算出被测气体的浓度，因此是一种不需定标的直接测量技术。由于二极管激光光源是谱线非常狭窄的可调谐强光源，因此原则上TDLAS 不需要传统光谱测量中所用的分光仪等复杂的光机设计。这项技术具有灵敏度高、选择性强以及非接触测量等优点［1］。

但是直接吸收方法也有它的不足之处，就是探测器接收到的信号噪声较大且难去除，背景信号和激光器自身的低频过剩噪声限制了可探测信号。另外一个不确定贡献来自于信号在光路中的抖动。为了抑制测量中的各种背景噪声，本文应用自平衡差分技术设计了一种自平衡差分探测器［2］。该探测器电路设计简单，成本低，具有很好的实用性。

1 系统的原理图及工作原理

自平衡差分探测方法包含两路输入，其中一路为经过吸收池的信号光，对应探测器输出电流为Isig，另外一路为不经过吸收池的参考光，对应探测器输出电流为Iref，如图1 所示。自平衡探测器自带电子增益补偿机制，低频反馈回路中的电压信号积分后作为自平衡电路的误差信号，再由减法电路自动将两个通道共有的噪声信号消除，这样输出信号就将与吸收无关的大幅度直流部分扣除掉，留下的是反映吸收的微小信号，而且相关的背景噪声、探测器噪声和激光器光强起伏引起的噪声也得到了抑制。

2 电路分析

电路由精密运算放大器OPA2227 和匹配单片四晶体管芯片MAT04 组成。其中，OPA2227 实现了互阻放大器和积分器的功能。

信号光由光电二极管D1转换成的电流为Isig，参考光由光电二极管D2转换成的电流为Iref。自平衡差分技术不是用Isig与Iref进行直接差分，而是用芯片匹配单片四晶体管MAT04 把Iref分成两路电流I1和I2，用I2与Isig进行差分。在探测过程中，当I2与Isig不等时，通过OPA2227 组成的反馈回路改变电流I1与I2的相对大小，直到I2与Isig相等，这样就达到了自动平衡的目的。

图1 自平衡差分探测器电路原理图

2.1 互阻放大电路

图2 所示为互阻放大器电路原理图，它是由精密运放OPA2227 和负载电阻构成的。运放的正向端接地，D1是接收信号用的光电二极管，反馈电阻R1决定增益的大小，Vbios是反向偏置电压，它能够提高光电管的线性度，减小结电容，增大电路带宽［3］，能够使D1产生的电流Isig，一路(I4)流向互阻放大器的负向端，一路(I3)流向MAT04。当改变反馈电阻R1时，就改变了此电路增益。当采用电压反馈放大器时，在高频时改变R1通常不影响电路的带宽。这是由于闭环增益主要由输入电容和反馈电容决定，使闭环增益与开环增益可能在预定点相交。如果采用电流反馈放大器，当改变R1时，就会改变电路的带宽，使得电路的带宽随增益的变化而改变。另一方面，电流反馈放大器的反相输入端电流噪声要比电压反馈放大器大。因此，本探测器中应该采用电压反馈放大器。

设照射到二极管的光功率为Pi，二极管的电流响应度为Ri，则光电管产生的电流的大小为:

在理想的条件下，则互阻放大电路的输出为:

图2 互阻放大电路

2.2 积分电路

在电路中，由电阻R2、电容C 和放大器构成积分电路［4］，如图3 所示。其中输入电压Vin为互阻放大器的输出电压Vout1，通过调节R1或R2的阻值来控制积分回路的输出电压Vout2，从而控制MAT04 来改变I1与I2的相对大小。

此积分电路的输出表达式为:

图3 积分电路

2.3 自平衡电路

MAT04 中的三极管对管是整个自平衡差分技术的核心，I1与I2的大小调整就是靠它完成。图4 所示为其电路原理图。

根据电子学理论［5］，流过PN 结的电流I 与PN 结两端的电压U 之间的关系为:

其中，Is为反向饱和电流，UT称为温度电压当量，k 为玻尔兹曼常数，e 为电子电量，T 为温度。在300 k 时，UT=26 mV。因此，流过MAT04 的管脚E1 的电流I1与流过管脚E4 的电流I2之比为:

Ub2为MAT04 的管脚B4 的电压，它的大小与积分反馈回路的输出电压大小有关。

当I2与Isig不等时，其差值通过互阻放大器和积分电路反馈来的电压Vout2来控制Ub2，从而改变I1与I2的相对大小，直到I2等于Isig。

图4 MAT04 工作原理图

3 平衡差分技术使用特性

要获得较为理想的效果，实际应用自动平衡差分技术的过程中应注意以下几个问题:

1)信号光与参考光比值的选择

在信号光与参考光大小的选择上，我们应该考虑以下两方面的问题:第一，为使参考光的一部分能与信号光相平衡，参考光强应大于信号光强。第二，参考光强不能比信号光强大太多，以避免参考光强太大而可能使三极管饱和，不能实现所需的比例关系。根据我们设计的自平衡差分探测器，在信号光强适中并保持不变时，通过改变参考光的光强，确定信号光强与参考光强之比为6∶7。

2)光路改善

为了更好地消除共模噪声，我们在探测器接收面的前端增加了一个聚焦透镜，这样就可以把信号光聚焦到探测器上，避免信号光散落到探测器接收面外而导致信号的丢失，使得探测器接收完全一致的信号光。除此之外，信号光与参考光的光程不能相差很大，太大会引起相位偏移。

4 结束语

本文用简单的自平衡探测方法有效地减小了激光器波长等共模噪声和其他通行干扰等影响，在一定程度上提高了气体浓度检测灵敏度。该方法简单直接，成本非常低，有着较为广泛的影响。

［1］董凤忠，阚瑞峰，刘文清，等.可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用［J］.量子电子学报，2005，22(3) ：315－325.

［2］黄湘宁.光电探测器的噪声分析［J］.青海师范大学学报，2000(4) ：48－50.

［3］樊振方，罗辉.互阻放大器带宽计算方法［J］.现代电子技术，2011(34) ：90－93.

［4］李奎芳，李太全.平衡取样积分电路分析及应用［J］.长江大学学报，2006(3) ：34－37.

［5］童诗白.模拟电子技术基础［M］.第4 版.北京：高等教育出版社，2010.