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微弱信号检测前置处理模块电路设计孙韩【摘要】从Y光纤斐索型激光干涉微振动检测仪的微弱信号检测实际需求出发,基于高速DSP数据采集与处理系统,采用集成运放芯片AD620,设计了一种能实现前置放大、带通滤波、电平抬升、增益可调等功能的前置处理模块电路。
经实验测试,该电路设计具有抑制噪声、抗干扰能力强,信号放大、带通滤波效能高等的优点,能有效进行微弱信号前置放大、去噪等处理,为后续A/D转换和高速DSP数据采集奠定基础。
%According to the actual demand of weak signal detection of Y type optical fiber Laser in-terference micro vibration detector,based on high-speed DSP data acquisition and processing system, using the integrated operational amplifier AD620 chip,a kind of pre-processing module circuit which can realize function of pre-amplifier, band-pass filter, level up and gain adjustable is designed. Through experimental test,the circuit designed in this paper has a strong suppress noise and anti-in-terference ability,the advantages of signal amplification and band-pass filtering efficiency higher. It can also effectively amplify a weak signal and suppress the noise,and lay a foundation for subsequent A/D conversion and high-speed DSP data acquisition.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P598-601)【关键词】微小振动测量;微弱信号检测;前置处理模块;电路设计【作者】孙韩【作者单位】安徽大学电子信息工程学院，230601，合肥【正文语种】中文【中图分类】TN248微振动测量广泛应用于石油勘探，各种发电机组、机床及桥梁的振动监测，高层建筑晃动测试，船舶及飞机等的发动机振动分析中。
光电探测器前置放大电路设计与研究作者：胡晓东来源：《中国科技纵横》2017年第04期摘要：为了更好地利用光电探测器对弱光信号进行检测，从而使得弱光信号转换成为电信号，并对这种电信号进行有效的运用，那么在设计其前置放大电路时就一定要对光伏探测器、光电导器件等进行有效的研究，结合不同探测器的特点以及探测光信号的频率特性来选择放大电路，从而使得光电探测器的前置电路的性能达到最佳状态。
关键词：设计与研究；前置放大；光电探测器中图分类号：TN15 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0085-01光电探测器将微弱的光信号转换成为电流信号，然后再经过放大电路将电流信号转换成电压信号，由于电流信号比较微弱，只有经过有效的放大之后才能够对其记录下来，前置放大电路就可以实现这一功能，但是如果前置电路设计的不合理将会对掺杂进来的噪声信号等进行放大，从而影响了电流的质量，因此本文就光电探测器前置放大电路的设计与研究具有重要意义。
1 光电探测器的工作条件（1）说明偏置情况。
光电探测器基本上都需要在某种形式的偏置条件下工作。
比如光电磁探测器的偏置是磁场，而电阻测辐射热气以及光电导探测器则需要直流偏置电源。
探测器的噪声与信号通常和偏置的情况有关系，所以一定要注明偏置情况。
（2）光敏面面积。
光敏面的尺寸面积也影响探测器的噪声与信号，通常情况下，光敏面的面积与探测器的信号噪声成一定比例。
（3）工作温度。
大部分探测器，工作温度都会影响到其噪声与信号，其中由半导体材料制成的探测器最为明显。
因此，一定要明确探测器的工作温度。
常用的工作温度有：液氢温度（22.4K）、液氯温度（4.2K）、液氮温度（77K）等。
（4）电路的宽带与通频带。
由于噪声的影响使得探测器失去了极限性能，噪声的电流与电压都与宽带的平方根成正比例，因此在对探测器的性能进行描述的时候，一定要确定电路的带宽与通频带。
（5）辐射源的光谱分布。
大部分光电探测器的响应信号都与辐射源的波长有关系，他们都是对特定范围内辐射波长信号有响应，其中光子探测器表现最为突出。
光电探测器前置放大电路设计概要上海光学精密机械研究所李国扬此处的光电探测器，指的是将光功率转化为电流的二极管结构光电转换器件。
有人认为光电探测器的应用很简单，将光电二极管的输出电流用一个电阻进行取样，就得到了电压，该电压可经过AD转换电路进行数字化处理。
一个简单的光电探测器应用电路如下图所示：实际上，没有如上图一样简单。
首先，上图中的光电探测器会产生一个暗电流，这个暗电流有可能会大到可以和信号电流比拟；其次，取样电阻会产生热噪声，而电阻值越大，噪声也越大。
并且，10mV 的信号电压未必足够大。
而在光电流大小一定的情况下要提高信号电压，就需要增大取样电阻，取样电阻变大，又会增大噪声，这是一对矛盾。
进一步分析，光电探测器的PN结有一个结电容，这个结电容和取样电阻形成一个RC充电回路，RC值的大小决定了光电探测器的响应速度。
对于一个给定探测器，C 值是随着VCC电压值变化而变化的。
电容值随VCC变化典型曲线如下图。
当VCC值不稳时（如用噪声大的开关电源给探测器做偏压），就会使结电容不稳，结电容的大小会影响响应度；这样，VCC的噪声会通过改变结电容的大小而转化成信号的噪声。
确定了探测器种类和VCC后，C值就固定了，此时，减小R值可以减小响应时间，增大响应带宽；但是，减小R值又会减小响应幅度。
这又是一对矛盾。
对于探测微弱信号而言，需要一个比较大的取样电阻，而取样电阻如果很大，对于后级电路来说，相当于一个大的输出阻抗，这对后级电路的处理带来了困难。
如下图所示意，如果后级电路的输入电阻为1M欧，那么信号电压只有一半被后级放大器提取，所以，要求后级电路有很大的输入阻抗，才能尽可能多的提取信号能量。
到了这里，您可能会说，是否可以选择一种光电探测器，使它能够对光信号更为敏感，也就是说，单位光功率可以得到更大一些的光电流，这样就减轻了电路的压力。
是的，有响应更大的器件。
但是，增大光电响应度，在半导体工艺上需要增大光敏面积，而增大光敏面积的一个伴生效应是增大结电容。
前置放大器在微弱信号检测中的应用进展2010年光电电子技术结课作业前置放大器在微弱光电信号检测中的应用进展前置放大器在微弱光电信号检测中的应用进展摘要光电检测系统中光电器件紧密连接一个低噪声前置放大器，它的任务是:放大光电探测器件所输出的微弱电信号；匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗。
对前置放大器的要求是:低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。
针对不同类型的光电检测系统的相应的前置放大电路的种类不同有T 型网络前置放大电路、差分式前置放大电路、双运放前置放大电路、高阻型前置放大电路，低阻型前置放大电路等等。
关键词：前置放大电路，微弱光信号检测，光电转换引言微弱信号的检测和处理技术主要运用迅速发展起来的电子学、信息论以及物理方法等加以分析噪声，对信号进行检测、采集有用信号。
微弱信号不仅信号本身的幅度较小，而且往往都是淹没在背景噪声之中。
而其中的光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术[1]。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测, 并进一步传递、储存、控制、计算和显示[2]。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息, 然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量, 并进一步经过电路放大、处理, 以达到电信号输出的目的[3]。
由于光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中的特点, 要对这样的微弱信号进行处理, 一般都要先进行预处理, 以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样, 就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
1 光电检测电路模块[4]上图为光电检测电路模块示意图前置放大电路位于光电转换器后级放大电路之间对整个光电检测系统性能的影响很大，为得到有用的信号设计低噪声，高精度的前置放大电路就变得非常重要。
一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计以GaN光伏型紫外探测器输出的微弱电流信号为根据对探测器的前置放大电路进行设计，首先运用标准的电路理论建立了等效噪声模型，分析计算了电路中各个噪声源引起的噪声，导出了光电检测电路的信噪比输出公式，对影响光电检测电路输出信噪比的因素进行了详细的分析与研究；同时还给出了跨组放大器带宽与稳定性之间的关系，最后用multisim10软件的仿真印证了分析和设计的正确性。
标签：紫外探测器；前置放大器；噪声；稳定性引言空空导弹系统中多为红外制导和雷达制导。
随着干扰手段的发展，单一的探测手段已经不能满足抗干扰的需求。
于是，出现了双色探测器等多探测体制，如紫外/红外、紫外/激光、红外/激光等多种复合探测体制。
继红外探测技术之后紫外探测技术成为又一重要的军民两用光电探测技术。
相较于红外探测系统，紫外探测技术因其独有优势，受到了军方的关注。
正是因为军方的重視和紫外探测技术的独特性，本文开展紫外信号检测放大技术的研究，以此来确定一种更适合紫外信号的前放电路结构，并对它的噪声特性及抑制方法进行分析和验证。
1 紫外探测器紫外探测器件主要分为点探测器和像探测器。
半导体紫外探测器件因其体积小、过载高在军事中应用较多。
本系统中采用GaN基紫外探测器，光谱响应区间在260～380nm，峰值响应波长为365nm。
在探测器应用中多采用PIN结构[2]，I层会加大耗尽层厚度。
I层有更高的电阻相对于PN层，这里的反向偏压形成高电场区，加宽了光电转换的有效工作区域，使暗电流有所降低，提高了灵敏度，探测器的电容也有减小。
紫外探测多采取直接探测，所以在光信号功率小时，电信号输出相应也较小。
一般在实际探测器的应用中，为了方便后续处理，通常使用前置放大电路将信号放大。
紫外探测器中就要设计合理的前置放大电路，以保证探测系统能够在一定的输出信噪比下工作。
2 前置放大电路微弱光电信号前置放大器，信号小，输入信噪比低，在空空导弹系统等军用系统中多有专门的低噪声放大器。
第17卷 第3期厦门理工学院学报Vol .17 No .3 2009年9月Journal of Xiamen University of Technol ogy Sep.2009 [收稿日期]2009-07-14 [修回日期]2009-09-07[基金项目]厦门市科技计划指导性项目(3502Z20073033)[作者简介]肖雪芳(1977-),女,福建周宁人,讲师,博士,从事半导体器件和光电检测研究.微变光信号检测前置放大电路设计肖雪芳1,雷国伟2(1.厦门理工学院电子与电气工程系,福建厦门361024;2.集美大学理学院,福建厦门361021)[摘 要]针对火灾探测中遇到的微变光信号问题,设计了一个微变信号提取放大电路.根据光信号微弱且变化缓慢的特性,选择P I N 光电探测器工作在光伏模式,通过设计合适的电路,使得输出电压信号与入射微变光信号成正比关系,实现了微变光信号的提取与放大.该电路简单易行,并采用完全对称结构,能很好地抑制共模信号,并通过PSP I CE 软件对该电路参数的选择进行仿真分析.研究表明,该电路能够很好地解决微变光信号处理问题.[关键词]微变光信号;光电探测器;前置放大电路;PSP I CE 仿真[中图分类号]T N702,T N911174[文献标志码]A [文章编号]1008-3804(2009)03-0069-040 引言火灾探测器是火灾自动报警系统的关键设备,安装于各个建筑防护区,时刻监视着火灾的发生.其中光电检测技术是整个火灾探测器的关键部分,通过光电探测器件将光学信息量变换成电量,并进一步经过电路放大、处理,以达到电信号输出的目的.在火灾探测过程中,由于可燃气体的阻挡和吸收,入射到探测器的光信号强度很小,光强起伏变化很慢.常规放大方法很难检测到探测器的输出信号,最终将影响系统探测的灵敏度和可靠性[1-2].本文针对微变光信号特点,设计了光接收放大电路,并通过PSP I CE 软件对该放大电路性能进行分析,分析表明该电路能很好解决微变光信号处理问题.1 微变光信号检测前置放大电路的设计与分析111 微变光信号检测前置放大电路设计微变光信号检测前置放大电路如图1所示.光电二极管一般有两种模式工作:零偏置工作和反偏置工作[3].针对光信号是微变特点,选用光电二极管光伏工作模式,此时光电二极管暗电流近似为零,二极管噪声基本上是分路电阻的热噪声,线性好,被放大的信号只与入射光强成正比.光电二极管将接收的光信号转换为电流信号,通过选取合适的电阻R 1、R 2将入射光电流信号转换为较大的电压信号,作为后续电压跟随器的输入信号.电路中引入R 3、R 4电阻来提高输入阻抗,降低对光电二极管的影响.电压跟随器的输出信号经过差分放大电路进一步放大,以便驱动后续电路进行工作.电路采取对称结构,R 1和R 2、R 3和R 4、R 5和R 6、R 7和R 8选用相同阻值,使得电路的漂移和失调互相抵消,提高探测精确度.厦门理工学院学报2009年112 理论分析本设计光敏元件采用P I N 光电二极管,根据其工作模式,相应等效电路如图2所示.图中电流源I P 为光信号转换的电流信号,I P=R ・P,式中,R 为P I N 光电二极管响应度,P 为入射光功率.C PD为二极管寄生电容,R S 为寄生串联电阻,R d 为寄生并联电阻.电路分析时,假定集成运算放大器为理想集成运算放大器.结合图1与图2,可得U 1=-I P ・R d ・R 1/(R d +R S +R 1+R 2+R 3+R 4)=U 01(1)U 2=-I P ・R d ・R 2/(R d +R S +R 1+R 2+R 3+R 4)=U 02(2)在图1中,电阻的参数在满足R 7/R 5=R 8/R 6关系的情况下,电路输出电压U 0为U 0=-R 7・(U 01-U 02)/R 5(3)将二极管等效电路中U 1与U 2带入到公式(3)中,得:U 0=(R 7/R 5)・R d /(R S +R d +R 2+R 1+R 3+R 4)・(R 2+R 1)・I P =(R 7/R 5)・R d /(R S +R d +R 2+R 1+R 3+R 4)・(R 2+R 1)・R ・P (4)从式(4)可以看出输出电压U 0与入射光功率成比例,这样就实现了对微变光信号的提取和放大.考虑到光电二极管的寄生并联电阻往往很大,则输出电压可以近似等于:U 0≈(R 7/R 5)・(R 2+R 1)・R ・P(5) 对理想运算放大器而言,等效输入阻抗趋于无穷大,开环电压放大倍数趋于无穷大,则图1所示电路的输入阻抗R i ≈R 1+R 2+R 3+R 4(6) 由式(5)、式(6)可以看出引入电阻R 3和R 4对输出电压的影响很小,却可以提高电路的输入阻抗,降低对探测器的影响.113 元件选择分析根据以上分析,电阻R 1和R 2决定了输入电压跟随器的电压信号大小,考虑到输入光信号很微弱,通常在几十到几百n W 量级,电阻R 1和R 2不宜选择太小.同时,受光电二极管工作线性范围约束,并考虑到使电路RC 时间常数尽可能小,电阻R 1和R 2也不能选择太大.综合考虑以上两个约束,选择电阻R 1=R 2=100kΩ.工作在差分运算模式的集成运算放大器输入电阻要达到kΩ量级.而电阻R 7和R 5的比值决定了输入信号的放大倍数,放大倍数选择太小则输出电压不足以驱动后续电路工作;反馈电阻R 7选择过大容易削弱负反馈,降低集成运放的工作稳定性.综合考虑以上两个因素选择R 7=R 8=100kΩ,R 5=R 6=1kΩ.考虑到输入信号很微弱,而且是缓慢变化的,对系统带宽要求较低,而对系统提取微弱信号能力要求高.则选择的光电二极管寄生并联电阻要尽可能高,而光敏面积尽可能大.集成运算放大器要选择输入阻抗高,输出阻抗低,输入失调电压和输入失调电流尽可能小,而开环电压放大倍数尽可能高.2 PSP I CE 仿真在光电器件和电路结构给定的条件下,前置放大器的第一级输入电容数值基本是固定的,因此选择前置放大器第一级输入电阻和偏置电阻大小是依据系统要求设计合适电路的主要考虑问题.以下将通过PSP I CE 软件对本设计电路进行仿真分析,确定电路的元件参数.在仿真分析中,光电二极管参数为:响应度015μA /μW ,寄生并联电阻R d 取100MΩ,寄生串联电阻R s 取100Ω,器件寄生电容C PD 取20pF [4].集成运算放大器参数为:开环电压放大倍数2×105,差模输入电阻1M Ω,输出电阻100Ω.电阻选择为R 1=R 2=100kΩ,R 7=R 8=100k Ω,R 5=R 6=1k Ω.・07・ 第3期肖雪芳,等:微变光信号检测前置放大电路设计图3给出在电阻R 3,R 4=100kΩ时,入射光功率与输出电压的关系.从图可以看出输出电压与入射光功率成正比.图4给出了在入射光功率为200n W 时,电阻R 3、R 4变化对输入阻抗R i 和输出电压U 0的影响,由图可以看出电阻R 3、R 4从0增加到200kΩ时,输入阻抗可以从100k Ω增长到300k Ω,而输出电压仅仅从117V 下降到113V.图5给出了在电阻R 3,R 4=100kΩ时,输出电压和入射光功率的时域特性.图中“—”实线表示入射光功率时域特性曲线,“.”虚线表示输出电压时域特性曲线.图中信号的变化周期为40s.该前置放大电路的频域特性分析如图6所示意.图6(a )～(c )分别给出电阻R 3、R 4在0、100kΩ和200kΩ时,输出电压的幅频特性、转移电阻的频率特性、共模电压信号放大倍数的频率特性.从・17・厦门理工学院学报2009年图6(a )可以看出电阻R 3、R 4越大输出电压越小,传输带宽越小.电阻从0增加到200kΩ,高频截止频率均从4717kHz 下降到21117kHz .从图6(b )可以看出由于相对输入电流而言输出电压很大,因此R 3、R 4变化对转移电阻的影响很小,R 3、R 4在0、100kΩ和200k Ω时转移电阻的频率特性曲线基本重合.转移电阻峰值为20MΩ左右,高频截止频率均在31315MHz 左右.从图6(c )图可以看出R 3、R 4越大,对共模信号的抑制能力越强,共模电压放大倍数越小.考虑到实际电路的元器件不能做到完全对称,这时共模电压信号放大倍数将比理论仿真要大,R 3、R 4将变得十分必要.综合以上分析选择R 3=R 4=100kΩ.图6(d )给出集成运放的-3d B 带宽f h 对输出电压幅频特性的影响,从图可以看出集成运放的-3d B 带宽截止频率f h 从12Hz 增加到1159kHz 时候,输出电压的高频截止频率约从17kHz 增大到28kHz .根据理论分析,搭建实验电路,实验电路中集成运放为F007;电阻取值R 1=R 2=R 3=R 4=R 7=R 8=100kΩ、R 5=R 6=1k Ω;光电二极管采用厦门建南应用技术有限公司提供的I nGa AS/I nP 光电二极管,该二极管在零偏置条件下,对波长1550n m 光照的响应度为0151μA /μW ,暗电流灵敏度为0103dBm.在入射光功率为200n W 时,该前置放大电路的输出电压为1103V,实验结果与理论值114V 近似,初步验证了该前置放大电路的可行性.3 结论针对火灾探测遇到的微变光信号问题设计了接收和前置放大电路,并通过PSP I CE 软件对该电路进行了仿真分析.研究表明本设计方案能够实现微变光信号的提取和放大,得到放大信号与微变信号成正比,并且电路采用完全对称结构,能很好地抑制共模信号.[参考文献][1]BUK OW SKI R W ,BUDN I CK E K,S CHE ME L C F .Esti m ates of the operati onal reliability of fire p r otecti on syste m s[C ]//Society of fire p r otecti on engineers .I nternati onal conference on fire research and engineering (3rd ),Chicago:CRCPress,1999:87289.[2]詹福如,袁宏永,苏国锋.光电探测器微变信号放大电路的设计和分析[J ].火灾科学,2001,10(4):2372240.[3]李远明,陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计[J ].电子元器件应用,2007,9(8):51253.[4]孙红兵,莫永新.微弱光电信号检测电路设计[J ].现代电子技术,2007,250(18):1562158.D esi gn of Pre 2am pli f i er C i rcu it forD etecti n g W eak and M i cro 2var i ous O pti ca l S i gna lX I A O Xue 2fang 1,LE I Guo 2wei 2(1.Depart m ent of Electr onic and Electrical Engineering,Xia men University of Technol ogy,Xiamen 361024China;2.School of Science,J i m ei University,Xia men 361021China )Abstract:A p re 2a mp lifier circuit has been p r oposed f or detecting and a mp lifying the weak and m icr o 2vari 2ous op tical signal in fire detecting syste m.I n this circuit the phot odi ode works in phot ovoltaic mode .Sy mmetri 2cal circuit has been selected and calculated s o that the common mode signal could be well restrained,and the out put signal is p r oporti onal t o the input weak and m icr o 2vari ous op tical signal .Analysis of the circuit has been perfor med based on PSP I CE .The results sho w that the circuit is good in detecting weak and m icr o 2vari ous op ti 2cal signal .Key words:weak and m icr o 2vari ous op tical signal;phot odi ode p re 2a mp lifier;PSP I CE si m ulati on ・27・。
