對數(shù)放大器在弱光檢測中的應(yīng)用-

1、對數(shù)放大器在弱光檢測中的應(yīng)用梅欣麗1,2,李常青1(1.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院,河南鄭州450001;2.新鄉(xiāng)學(xué)院物理系,河南新鄉(xiāng)453000摘要:為提取弱光檢測電路中淹沒在噪聲中的信號,通常使用高精度放大器尤其是對數(shù)放大器來提高電路濾除噪聲的能力,其中以對數(shù)放大器LOG100為前置放大電路的光電檢測電路效果最佳。基于這種電路,提出一種低噪聲弱光電檢測電路設(shè)計方案,以電子元器件相關(guān)參數(shù)的選擇和依據(jù),檢測LOG100的輸出效果。測量結(jié)果表明,輸入光信號功率高于1nW ,LOG100噪聲濾除性能良好,而低于1nW 時則輸出噪聲明顯增強,可能導(dǎo)致A/D 轉(zhuǎn)換輸出錯誤,不利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。關(guān)鍵詞:弱光;

2、檢測;光電轉(zhuǎn)換;對數(shù)放大器;噪聲;LOG100中圖分類號:TN39文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-6236(201005-0122-03Application of logarithmic amplifier in detection of weak optical signalMEI Xin -li 1,2,LI Chang -qing 1(1.School of Information Engineering ,Zhengzhou University ,Zhengzhou 450001,China ;2.Institute of Physics ,Xinxiang University

3、 ,Xinxiang 453000,China Abstract:In order to extract the signal submerged in the noise in detection circuit ,the high -precision amplifiers ,especially logarithmic amplifiers ,were used to increase the capacity of filtering out the noise ,one of the designs was a photoelectric detection circuit usin

4、g an integrated logarithmic amplifier LOG100as preamplifier.According to such a circuit ,the way of selecting the parameters of the electronic components was raised in designing the low -noise weak -optical detection circuit ,and the outputs of LOG100were detected.Actual measure results show that wh

5、en the input optical signal power is above 1nW ,LOG100performs a good noise filtering.But when the input optical power is less than 1nW ,the noise in output signal is markedly enhanced.Such phenomenon may result in the A/D conversion giving error outputs ,and make against to follow -up data processi

6、ng.Key words:weak optical signal ;detection ;photoelectric conversion ;logarithmic amplifier ;noise ;LOG100電子設(shè)計工程Electronic Design Engineering第18卷Vol.18收稿日期:2010-02-09稿件編號:201002017作者簡介:梅欣麗(1978,女,天津人,碩士研究生。研究方向:光電器件與材料。弱光檢測通常是先將光信號通過光電器件轉(zhuǎn)換成電信號,再經(jīng)前置放大電路放大后,由A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行分析處理。弱光檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信

7、、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域。弱光檢測電路一個重要性能指標(biāo)是對噪聲的濾除能力,但在弱光檢測時,光信號與噪聲幾乎處于同一數(shù)量級,信號很容易淹沒在噪聲中,不利于后續(xù)電路處理。傳統(tǒng)方法是采用電路級聯(lián)來濾除干擾,放大信號;但這種電路需用精密電阻,且設(shè)計復(fù)雜,電路體積大,可靠性差。隨著集成對數(shù)放大電路的發(fā)展,其寬動態(tài)范圍、高精確輸出的顯著特點,光檢測電路也得到不斷發(fā)展與完善,對數(shù)電路具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)壓縮性能,可將很寬的輸入動態(tài)范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍內(nèi)1-2。因此,這里提出一種以LOG1003作為前置放大的弱光檢測電路設(shè)計方案。1電路設(shè)計與分析1.1光電轉(zhuǎn)換電路3圖1為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A ,反

8、饋電阻R F 和C F 組成,其輸出電壓為u 1=SPR F ,其中,S 為光電二極管的靈敏度,P 為入射光功率。在檢測弱光信號時,R F 為提高增益,R F 的取值應(yīng)選擇盡可能大,放大器的輸入偏置電流I B 和輸入失調(diào)電壓V B 對輸出電壓的影響分別為I B R F 和1+R F RS!"V B,R S為光電二極管內(nèi)阻。可以看出,減小R F 可以減少以上影響,但同時會減小電路的增益。解決這個問題需選擇偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運算放大器。這里選用OPA111型高精度運算放大器,其偏置電流約為0.8pA ,輸入失調(diào)電壓約100V 。經(jīng)過計算,R F 的值取在幾百M 范圍內(nèi)時,上述影響

9、可以近似忽略,能夠滿足電路的要求。1.2前置放大電路4-9由于光電轉(zhuǎn)換電路的輸出信號通常在mV 數(shù)量級,且信號常常淹沒在噪聲中,因此前置放大部分需有較強的濾噪和放大能力。選用精密對數(shù)放大電路LOG100與外圍元件構(gòu)成前置放大電路。圖1虛線框內(nèi)所示電路為LOG100的簡化內(nèi)部電路,其動態(tài)輸入范圍1nA1mA ,滿跨度輸出誤差(FSO -122-低于0.37%,與精確對數(shù)關(guān)系最大偏離小于0.1%。同時,內(nèi)部還集成有激光校準(zhǔn)電阻,使得該對數(shù)放大器在環(huán)境溫度變化時仍能保持精確輸出。LOG100有4個選擇端,通過不同的連接方式,可以很方便得到不同增益,詳見文獻1-2,5-8。由文獻1-2可知LOG100

10、的輸入輸出關(guān)系為:V OUT =R 11+R 2111V T ln I 12或V OUT =R 11+R 2111 2.3V T log I 122結(jié)果分析在弱光測試實驗中,光電二極管使用S1227-66B型PIN 硅光電二極管,該器件靈敏度高,暗電流小。為了減小干擾,實驗時電路封裝在金屬盒內(nèi),采用±10V 直流穩(wěn)壓電源供電,電源線與信號線均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發(fā)光二極管輸出的周期性光脈沖信號,周期T =105ms 。使用數(shù)字示波器觀察并記錄光電轉(zhuǎn)換電路的輸出和前置放大電路的輸出信號。根據(jù)LOG100的輸入輸出關(guān)系,實驗中以I 2為基準(zhǔn)電流,根

11、據(jù)運放反向輸入結(jié)構(gòu)有I 2=221,即在電路中可通過給定基準(zhǔn)電壓2實現(xiàn)。光電檢測部分電路的輸出電壓一般只有mV 量級,同時根據(jù)LOG100器件要求,其輸入電流要在1nA 1mA ,I 1,I 2的比值要在105以內(nèi)。故圖1中的輸入電阻R 11,R 21選擇在幾十k ,以保證對數(shù)電路輸出精確度,根據(jù)這些要求,2值設(shè)定為幾mV 。因光電轉(zhuǎn)換電路的增益很高,雖然采用精密放大電路,并使用R F 和C F 限制信號頻帶,但幾乎對所有的輸入光信號,其輸出噪聲都非常高。圖2(a 為P =0.7nW 時光電轉(zhuǎn)換電路的輸出波形,可以看出,噪聲與信號在同一個數(shù)量級,噪聲與信號峰值比接近1,如果以這樣的輸出直接進行

12、A/D 轉(zhuǎn)換,將使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大打折扣,雖然可以通過單片機程序中的濾噪子程序來降低數(shù)據(jù)的出錯概率,但軟件模擬功能具有一定的局限性,可能無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸出。圖2(b 是通過前置放大電路處理后的輸出信號,其波形較光滑,噪信峰值比降低至0.02以下,幾乎不用軟件濾噪可以將A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)直接進行后續(xù)處理。由此可見,LOG100作為前置放大電路在放大有用信號的同時,也有效抑制了噪聲,其具體測量數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果差距較小,完全可滿足設(shè)計要求。圖3所示為輸入光功率在1.4nW 時理論值(虛線與測量值(實線相差不到0.1V 。圖4為不同入射光功率P 下前置放大電路的輸出V OUT波形,從圖4可以看出,

13、輸入光信號的強度幾百pW 的微弱改變時,LOG100的輸出信號幅度有幾百mV 的明顯變化,這使得在A/D 轉(zhuǎn)換時可最大限度地采集不同光源強度的數(shù)據(jù)。然而LOG100也有其不足之處。由圖4可見,隨著輸入光強度的減弱,輸出信號中噪聲逐漸增強,當(dāng)噪聲與信號相比增大到一定程度后,可能會使A/D 轉(zhuǎn)換電路輸出錯誤,這時必須采用軟件進行濾噪處理。因此LOG100一般用在檢測弱光信號電路中,在微弱光信號檢測中,LOG100的輸出信噪比較小,還需精密濾波電路輔助,這不但增加了電路的復(fù)雜性,也使其輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度大大降低,從而不能進行實際應(yīng)用。要解決這個問題,可考慮使用精度更高的LOG101和LOG104作為前

14、置放大電路,與LOG100相比,它們具有更寬的動態(tài)輸入范圍100pA3.5mA ,精確度可達0.01%FSO 。LOG101和LOG104采用恒定增益,在電路中使用靈活性方面不如LOG100。在內(nèi)部沒有集成激光校準(zhǔn)電阻,但直流偏移電壓低,且能在很寬的溫度范圍(-575內(nèi)精確輸出,因此更適合使用于微弱光信號檢測電路中。3結(jié)論討論了LOG100在弱光檢測應(yīng)用中的噪聲濾除性能, 實圖1光電檢測電路梅欣麗,等 對數(shù)放大器在弱光檢測中的應(yīng)用-123-電子設(shè)計工程2010年第5期參考文獻:1周世昌.磁性測量M.北京:電子工業(yè)出版社,1994:51-61.2王易真.實用磁路設(shè)計M.北京:國防工業(yè)出版社,20

15、08:10-50.3莊建紅.虛擬儀器技術(shù)的軟磁材料動態(tài)磁性測量系統(tǒng)J.北京:機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2007(9:30-31.4李勛.單片機實用教程M.北京:北京航空航天出版社,2000:40-100.5張志東.大學(xué)物理實驗M.北京:科學(xué)出版社,2007:157-160.6梅志紅.Matlab程序設(shè)計基礎(chǔ)及應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,2005:121-150.測結(jié)果表明LOG100有較強的噪聲抑制能力,在弱光檢測中可作為前置放大電路。但當(dāng)輸入信號逐漸減弱時,噪聲抑制能力也較弱,不適宜使用在微弱光信號檢測中。參考文獻:1羅鵬,丁亞生.對數(shù)放大器的原理與應(yīng)用(上J.電子產(chǎn)品世界,2005(04A:12

16、7-128.2楊家桂,鐘躍明.基于對數(shù)比率放大電路的光功率測量J.電光與控制,2006,13(1:110-112.3劉彬,張秋嬋.光電檢測前置放大電路的設(shè)計J.燕山大學(xué)學(xué)報,2003,27(3:193-196.4翟俊祥.LOG100精密對數(shù)放大電路J.電子設(shè)計工程,2000(2:15-16.5TI/BURR-BROWN公司.LOG100資料EB/OL.(2000-09-pdf.6TI/BURR-BROWN公司.LOG101DatasheetEB/OL.(2004-06-7TI/BURR-BROWN公司.LOG104DatasheetEB/OL.(2005-04-8TI/BURR-BROWN公司

17、.OPA111DatasheetEB/OL.(2000-pdf.9張潔,崔曉娟,武建紅,等.黑體式光電高溫計調(diào)理電路設(shè)計J.計測技術(shù),2007,2(4:61-64.! (上接第121頁""""""""""""""""""""""""""""""""""&quo

18、t;"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""&quo

19、t;音頻/視頻時鐘發(fā)生器LMH1983美國國家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor Corporation推出一款適用于專業(yè)應(yīng)用和廣播視頻設(shè)備的全新三速(3G/HD/ SD音頻/視頻時鐘發(fā)生器,在應(yīng)用這類視頻設(shè)備時無需加設(shè)外部時鐘進行調(diào)整。這款型號為LMH1983的時鐘發(fā)生器可為多種不同應(yīng)用提供必要的視頻和音頻參考時鐘。此外,該款高度集成的芯片輸出抖動達到業(yè)界最低,僅為40ps(峰峰值,因此只要采用FPGA串行/解串器便可在應(yīng)用中達到電影電視工程師協(xié)會(SMPTE的標(biāo)準(zhǔn)。采用LMH1983可替代3個外置的鎖相環(huán)(PLL、壓控晶體振蕩器(VCXO和環(huán)路濾波器?？梢跃喯到y(tǒng)設(shè)計,節(jié)省物料成本并縮小電路板。LMH1983的特點