微弱光电信号检测电路设计及性能分析

郭　涛，王　超，魏明明（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051）

微弱光电信号检测电路设计及性能分析

郭涛1，2*，王超1，2，魏明明1，2
（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051）

针对微弱光检测技术的应用，介绍了一种光电检测电路的优化设计。分析了每一部分电路的工作原理，并将其与传统电路作了对比，突出了设计的优势。此外，用PSpice软件对电路进行了全面仿真，阐明了影响电路性能的关键指标和关键器件。最后对电路进行了实测，实验结果表明，该设计拓宽了可检光的动态范围，光电转换稳定，且信噪比高。

微弱信号检测；光电转换；对数变换；PSpice仿真

对微弱光信号的检测，在科学研究和军事等领域有广泛的应用［1］。微弱光检测的难点在于光电探测器接收到的光信号和转换后的电信号都很微弱，很容易淹没在各种噪声中［2］；而且微弱光的动态范围比较大，光电检测设备的量程不好控制［3］。因此，研发性能优越的光电检测设备，提高信噪比和拓宽设备可检测光范围尤为重要。设计以降低噪声和拓宽微弱光光强测量范围为目的，对传统的光电探检测电路进行了优化设计，并对优化后的电路进行了测试。

1　光电检测电路工作原理简述

光电检测电路是一种将光信号转换为电信号的电路。一般由光电转换、信号放大、滤波等部分组成［4］。图1为典型的光电探测器工作原理图。

图1　光电探测器工作原理

光电二极管接受光信号后，将其转换为光电流，光电流经过前置放大电路后转换为电压信号，从前置放大电路输出的电压信号经过放大电路提高幅度［5］，然后经过滤波电路进行降噪提高信噪比［6］，以便后续采集电路采集［7］。

2　光电检测电路优化

2.1光电转换电路的改进

传统的光电转换电路多采用专用的集成器件，OPT301就是其中的一种，如图2为集成器件OPT301的内部电路组成。

图2　OPT301内部电路

可知，OPT301可以直接将输入的光信号转换为电压信号输出。利用这种集成器件的法的优点是电路实现起来比较简单，且空间占用较小。但这种方法缺点也很明显：缺乏灵活性，输出电压幅值较小，噪声较大［8］。

设计采用的相对分立的元器件组成的光电转换电路。图3为电路的原理图。

图3　光电转换电路

PIN光电二极管S1226-4BQ工作在光伏模式下，特点是：零偏置、几乎无暗电流、低噪声。运放选用的是AD549，它具有极低输入偏置电流和低输入偏置电压，1015Ω的共模输入阻抗以及低噪声低温漂特性。此外，滑动变阻器R1为AD549前置放大器提供了偏置调零功能。图4为光电转换电路等效电路。

图4　光电转换电路的等效电路

分析可知，光电转换电路的输出为：式（1）中Isc为光电二极管在光照下产生的光电流；S表示光电二极管的灵敏度；P表示入射光功率；Rs为光电二极管的内阻。为了得到较高的输出电压和较低的噪声，一般Rf比较大（几百MΩ甚至几GΩ），与之并联的电容Cf较小（一般选几pF）。图中的Vs表示输入失调电压，可以通过调节图3中的R1将其消除。

2.2对数变换电路

为了方便数据采集，输出电压一般要控制在0～5V之间，由式（1）可知，输出电压U1与接收光的功率P成正比。因此若直接用线性放大电路，由于输出电压范围控制在了5V以内，会使得可检测光的动态范围会受到限制，也就是说光强稍微变大一点就可能使输出电压超过5V而无法检测。为了改善这个不足，设计中增加了一级对数变换电路。

由电路知识可知，对数变换可以使信号在一定程度上实现压缩［9］。因为输出信号与输入信号的对数成正比，这就可以确保在输出信号范围一定的情况下，允许输入信号有更宽的动态范围。图5即为设计的对数变换电路。

图5　对数变换电路

运放用的是OP07，它是一种低噪声，非斩波稳零的双极型运放，同时具有较低的失调电压漂移和高开环增益，特别适合微弱信号的处理。D1是为了防止当U1为负U2为正时，造成三极管Q1的UBE反偏置而损坏。经分析计算可得输出电压表达式如下［10］：

式中UT是电路随温度变化的因子，约等于26mV。Is为Q1发射结的反向饱和电流。由式（2）可知，U2与U1的对数成线性关系，即在U2范围固定的情况下，允许U1有更宽的范围；而U1与输入光的功率P成线性关系，所以拓宽了可检测光的动态范围。

3　电路性能分析

为了进一步分析电路的性能，利用 OrCAD PSpice软件对电路进行了仿真分析。图6为整体电路的PSpice仿真图原理图。为了仿真，必须先建立好各个器件的PSpice模型［11］。根据光电二极管S1226的微变等效电路，利用电流源I1，电阻Rs和电容Cs模拟其PSpice模型。AD549的PSpice模型是从ADI公司官网下载相关文件然后利用Model Editor软件制作的。而OP07和其他器件的PSpice模型在软件库中可以找到。有了各个器件的PSpice模型后即可建立如图6所示的PSpice仿真原理图。

图6　PSpice仿真原理图

3.1前置放大电路的PSpice仿真

首先进行前置放大电路的直流偏执点分析，这部分分析的目的是为了找出对前置放大电路直流特性影响最大的元器件，其PSpice仿真结果如图7所示。

图7　直流偏执点仿真结果

由结果可知：对输出电压U1影响最大的器件是反馈电阻Rf，这由式（1）也可推测到，因此Rf的选取很重要，尽量选取电器特性好的器件。设计中选择的是低温漂低噪声的金属膜电阻［12］，阻值100 MΩ。

电容 C1是影响电路的带宽关键因素，利用PSpice软件的参数扫描功能来辅助C1值的选取。设定C1的扫描范围为0.8 pF～3.2 pF，扫描步长为0.4 pF。仿真结果如图8。分析可知，放大器AD549在电容C1容值较小时会产生高频响应尖峰，而随着电容C1的增大，响应尖峰会下降，甚至消除。为了足够的余量消除响应尖峰，设计中C1的容值选择为10 pF。

确定了Rf和C1的值后，前置放大电路的带宽就随之固定了。图9是其仿真结果。可知其截止频率为162Hz，与理论计算值相符。

图8　频域参数扫描图

图9　前置放大电路带宽仿真图

3.2对数变换电路的仿真验证

图10为电路的直流扫描仿真图，U1、U2、U3分别为图6中前置放大电路的输出电压、经过对数变换电路的电压、经过放大电路的最终输出电压。

图10　电路直流扫描仿真图

图11是U2的局部放大的显示结果。通过图10和图11可以看出，经过对数变换电路，前置放大电路的输出电压U1被压缩了，对数变换电路达到了预期的压缩信号的功能。压缩后的输出电压U2通过放大电路放大后达到了适合的幅值，即0～5 V。

图11　输出电压U2直流扫描仿真图

3.3电路噪声仿真

光电检测电路的输出噪声由以下几个部分组成［13］：电阻的热噪声、运放的电流噪声、电压噪声及由光电二极管暗电流引入的噪声。总的噪声可表示为

式中EnoR为电阻热噪声，Enoe为运放电压噪声，Enoi为运放的电流噪声，EnoD为光电二级管噪声。这些噪声可以通过理论计算得出，但是过程非常复杂。而通过PSpice软件的噪声分析功能可以很快的分析出噪声的特性。PSpice软件分析电路噪声的原理是将电路中各个器件引入的噪声全部等效成激励源引入的噪声，然后仿真出这个等效输入噪声的大小和由它导致的输出噪声的大小。图12为等效输入电流噪声频谱曲线，图13为电路的输出噪声频谱曲线。

图12　等效输入电流噪声频谱曲线

图13　电路输出噪声频谱曲线

由图12可知，输入电流噪声在高频段增大速度明显加快；同时由图13可以看出，电路工作频率超过60 Hz时，输出噪声增大速度也明显加快。综上可知，在满足检测信号带宽的条件下，应尽量降低电路的带宽来降低输出噪声。

3.4电路实测

图14是一次电路实测时输出电压的示波器截图，可以看出信号输出稳定、平直。图15是输出电压的交流分量，即电路的噪声。对比图14、图15可知，电路输出的有效信号为2.4 V，而输出噪声在5 mV以内，表明该电路信噪比很高。

图14　实测输出电压

图15　电路输出噪声

4　结束语

提出了一种光电检测电路的设计方案，并利用PSpice软件对电路器进行了仿真，优化了器件参数。仿真和实测的结果表明，电路有较高的信噪比。文中用到电路设计方法和PSpice仿真方法对光电检测技术的研究有一定的参考价值。

［1］ 尹洪剑，谭开洲，杨毓军，等.一种功率型光耦合单片集成光电检测电路［J］.微电子学，2008，38（6）：847-854.

［2］ 韩勇.光电检测电路的噪声分析与处理［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

［3］ William G L，Christopher S，Frank LA，etal.Single Photon Detec-tion Using Geiger Mode CMOSAvalanche Photodiodes［C］//SPIE，2005，6013：73-81.

［4］ 胡丹，张冈，撒继铭.一种实用的光电检测电路设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2010（11）：79-81.

［5］ 黄艳飞，王志斌，王艳超，等.弹光调制光电转换放大电路设计［J］.应用光学，2013，34（5）：420-424.

［6］ 王蒙，刘嘉，闵力.微弱光信号检测电路的设计和噪声分析［J］.电子设计工程，2014，22（10）：134-136.

［7］ 孔雁凯，朱杰，王超.应用于光散射技术中的光电探测器设计［J］.传感器与微系统，2015，34（5）：102-105.

［8］ 管敏杰，赵冬娥.基于PIN型光电转换电路的噪声研究［J］.电子测试，2012，（2）：35-38.

［9］ 李常青，梅欣丽，明奇.微弱光信号检测电路的实现［J］.应用光学，2010，31（5）：724-727.

［10］毕满清.模拟电子技术基础［M］.北京：电子工业出版社，2009：267-270

［11］卫翠玉，胡炳樑，韶秀娟，等.ORCAD在HgCdTe红外探测器放大电路低噪声设计中的应用［J］.电子器件，2009，32（2）：324-328.

［12］叶莉华，汪海洋，王文轩，等.基于光电倍增管的低噪声前置放大器的设计及其信号处理［J］.电子器件，2013，36（3）：340-343.

［13］Jerald Graeme.Photodiode Amplifiers op AMPSolutions［D］.US：McGraw-Hill，1995：87-105.

郭涛（1971-），男，汉族，山西太原人，教授，硕士，现工作在中北大学电子测试技术国家重点实验室，主要研究方向为惯性测量系统、微器件的设计与制造，guotao6@nuc.edu.cn；

王超（1988-），男，汉族，黑龙江北安人，现就读于中北大学，硕士研究生，主要研究方向为微系统及集成技术，781422693@qq.com。

Design of Weak Photoelectric Signal Detection Circuit and Performance Analysis

GUO Tao1，2*，WANG Chao1，2，WEI Mingming1，2
（1.Key Lab of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North Uniυersity of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，North Uniυersity ofChina，Taiyuan 030051，China）

For application on weak lightdetection，this article introduced an optimization design of photoelectric detection circuit.Itanalyzed theworking principleofall the partsof the circuit，compared the designwith the traditional circuitand highlighted theadvantage of the design.In addition，the performance of the circuitwassimulated based on PSpice software.According to the result，the key indicators and components that influenced the circuit performance were analyzed.Finally，the circuitwere verified.The resultsof the experiments show that this design allows the input signalhasawide dynamic rangeand ithasahigh signal tonoise ratio，stability of thephotoelectric conversion.

weak signaldetection；photoelectric conversion；logarithmic transformation；PSpice simulation

TP212；TN206

A

1005-9490（2016）04-0913-05

2015-09-01修改日期：2015-10-16

EEACC:7230；425010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.031