光伏式光電檢測電路圖（二）

雙光路光信號檢測電路設(shè)計，包括以下幾個部分，首先對光耦輸出的兩路光信號分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過光電探測器將光功率轉(zhuǎn)換為電流。然后經(jīng)過前置放大電路將微弱的電流信號轉(zhuǎn)化成為電壓形式。緊接著用帶通濾波器將轉(zhuǎn)化的電壓信號濾去干擾和噪聲以及二次放大。最后，將兩路信號進(jìn)行差分處理。其完整的檢測電路如圖2所示。

電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

光電轉(zhuǎn)換是實現(xiàn)光電檢測的核心部分。它將決定整個檢測系統(tǒng)的靈敏度、精度、動態(tài)響應(yīng)等。常用的光電探測器件有光敏電阻、半導(dǎo)體光電管、光電池、真空光電管和光電倍增管、電荷耦合器件、光位置敏感器件等。

光纖傳感器中，一般采用半導(dǎo)體二極管光電探測器其特點是結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，頻帶寬，可達(dá)10GHz．以CO氣體檢測為例，其在近紅外光譜吸收的波長在1．567“m附近，因此選用InGaAsP材料的PIN光電二極管。型號為YSPD718，其響應(yīng)度0．96A／W，暗電流《1．0nA．

光電二極管一般有2種模式工作：光伏模式和光導(dǎo)模式。該設(shè)計待檢測信號十分微弱，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，為了消除暗電流的影響，設(shè)計時采用光伏模式。

置放大電路設(shè)計

光電探測器件緊密連接一個低噪聲前置放大器，它的任務(wù)是：放大光電探測器件所輸出的微弱電信號；匹配后置處理電路與探測器件之間的阻抗。對前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。根據(jù)以上要求以及綜合各方面的因素考慮，最后選定運(yùn)放OPAl29UB搭建前置放大電路。其輸入偏置電流≤100fA，輸入失調(diào)電壓≤2mV，輸入失調(diào)電壓溫漂≤10斗V／℃，噪聲電壓≤15nV／／Hz（10kHz時）。

對于具有恒流源特性的光電探測器，采用高阻負(fù)載將有利于獲得大的信號電壓，故希望采用高阻放大器。但高負(fù)載電阻與探測器分布電容和放大器輸入電容將增加RC時間常量，影響系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，并使其動態(tài)范圍減小，通常采用跨阻放大器或并聯(lián)反饋放大器克服這一缺點。設(shè)計采用的跨阻放大器的結(jié)構(gòu)框圖可以用圖3表示。由基本放大器和一個跨接在輸入輸出端之間的電阻構(gòu)成。這種放大器利用電阻兄提供電壓并聯(lián)負(fù)反饋，減小了放大器的輸入阻抗，增加了帶寬。其輸出電壓與輸入光功率的關(guān)系為

帶通濾波電路設(shè)計

為保證測量的精確性并具有良好的信噪比，該設(shè)計在前置放大電路之后加入二階帶通濾波電路，以除去有用信號頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪聲。

圖4所示的二階帶通濾波器是～種二階壓控電壓源（VCVS）帶通濾波器，由低通濾波器和高通濾波器串接組成哺】。濾波電路中的放大器選用OP297EZ，其輸入偏置電壓≤50mV，輸入失調(diào)電流《100pA，輸入失調(diào)電壓溫漂≤O．6mV／oC．

在選用元件時，應(yīng)當(dāng)考慮由于元件參數(shù)值誤差對傳遞函數(shù)存在影響。現(xiàn)在規(guī)定選擇電阻值的容差為l％，電容值的容差為5％。在運(yùn)放電路中的電阻不宜選擇過大或過小。一般為幾k歐一幾十k歐。因此，選擇低通級電路的電容值為103pF，高通級電路的電容值為0．1uF．

對于第一部分，即低通濾波器，系統(tǒng)要求的低通截止頻率為，fH=10kHz，同時C=10^3pF，根據(jù)公式∞=1／RC計算，并選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值R11=16k11．對于第二部分高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為^=100Hz，做同樣的計算可以求得R17=R18=18k歐．為了使阻抗匹配，現(xiàn)選擇R13=16k歐，R20=16kft，最后根據(jù)濾波器的放大倍數(shù)可以算出R14=16k歐，R19=16k歐．

差分放大電路設(shè)計

為了更好地抑制共模干擾，減小背景光輻射等外部干擾對測量系統(tǒng)的影響，必須對放大濾波之后的信號進(jìn)行差分處理。

但是由于光路與電路的硬件時間延遲以及閉環(huán)系統(tǒng)相頻特性等因素都會引起相位差。為了使兩路輸出信號在相位上保持一致，在濾波后差分前引入了RC移向環(huán)節(jié)，其完整的電路如圖5所示，電容C25，C29和電阻R25，R26構(gòu)成一組RC移向電路，同理，在另一光路中電容C26，C30和電阻R27，R28構(gòu)成另一組RC移向電路。兩路信號在移向后幅度和相位都保持一致，然后對其進(jìn)行差分處理。綜合各方面的因素考慮，最后選用INAll4作為差分放大器。其輸入偏置電流≤2nA，輸入失調(diào)電壓≤50IzV，輸入失調(diào)電壓溫漂≤0．25uV／.C，共模抑制比高達(dá)115dBmin．而且INAll4只需一個外部電阻就可設(shè)置l一10030之間的任意增益值，從而使得輸出與后續(xù)信號處理電路想匹配的電壓信號。其輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為