光伏式光電檢測電路圖（二）

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

電轉換電路設計

光電轉換是實現光電檢測的核心部分。它將決定整個檢測系統的靈敏度、精度、動態響應等。常用的光電探測器件有光敏電阻、半導體光電管、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，一般采用半導體二極管光電探測器其特點是結構簡單，轉換效率高，頻帶寬，可達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：光伏模式和光導模式。該設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，為了消除暗電流的影響，設計時采用光伏模式。

置放大電路設計

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載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。根據以上要求以及綜合各方面的因素考慮，最后選定運放OPAl29UB搭建前置放大電路。其輸入偏置電流≤100fA，輸入失調電壓≤2mV，輸入失調電壓溫漂≤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，影響系統的高頻響應，并使其動態范圍減小，通常采用跨阻放大器或并聯反饋放大器克服這一缺點。設計采用的跨阻放大器的結構框圖可以用圖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成。這種放大器利用電阻兄提供電壓并聯負反饋，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系為

帶通濾波電路設計

為保證測量的精確性并具有良好的信噪比，該設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，輸入失調電流《100pA，輸入失調電壓溫漂≤O．6mV／oC．

在選用元件時，應當考慮由于元件參數值誤差對傳遞函數存在影響。現在規定選擇電阻值的容差為l％，電容值的容差為5％。在運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，系統要求的低通截止頻率為，fH=10kHz，同時C=10^3pF，根據公式∞=1／RC計算，并選擇標準電阻值R11=16k11．對于第二部分高通濾波器，系統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，現選擇R13=16k歐，R20=16kft，最后根據濾波器的放大倍數可以算出R14=16k歐，R19=16k歐．

差分放大電路設計

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的影響，必須對放大濾波之后的信號進行差分處理。

但是由于光路與電路的硬件時間延遲以及閉環系統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移向環節，其完整的電路如圖5所示，電容C25，C29和電阻R25，R26構成一組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，輸入失調電壓≤50IzV，輸入失調電壓溫漂≤0．25uV／.C，共模抑制比高達115dBmin．而且INAll4只需一個外部電阻就可設置l一10030之間的任意增益值，從而使得輸出與后續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系為