弱光检测

  弱光检测通常是先将光信号通过光电器件转换成电信号,再经前置放大电路放大后,由A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号进行分析处理。弱光检测技术广泛应用于现代通信、医疗和科研等领域。弱光检测电路一个重要性能指标是对噪声的滤除能力,但在弱光检测时,光信号与噪声几乎处于同一数量级,信号很容易淹没在噪声中,不利于后续电路处理。传统方法是采用电路级联来滤除干扰,放大信号;但这种电路需用精密电阻,且设计复杂,电路体积大,可靠性差。随着集成对数放大电路的发展,其宽动态范围、高精确输出的显着特点,光检测电路也得到不断发展与完善,对数电路具有优异的数据压缩性能,可将很宽的输入动态范围信号压缩在很窄的电压范围内。

光电转换电路

  图1为光电检测电路。该检测电路是由放大器A,反馈电阻RF和CF组成,其输出电压为u1=SPRF,其中,S为光电二极管的灵敏度,P为入射光功率。在检测弱光信号时,RF为提高增益,RF的取值应选择尽可能大,放大器的输入偏置电流IB和输入失调电压VB对输出电压的影响分别为IBRF和为光电二极管内阻。可以看出,减小RF可以减少以上影响,但同时会减小电路的增益。解决这个问题需选择偏置电流和失调电压均很低的运算放大器。这里选用0PAlll型高精度运算放大器,其偏置电流约为0.8 pA,输入失调电压约100μV。经过计算,RF的值取在几百MΩ范围内时,上述影响可以近似忽略,能够满足电路的要求。

光电转换电路

前置放大电路

  由于光电转换电路的输出信号通常在mV数量级,且信号常常淹没在噪声中,因此前置放大部分需有较强的滤噪和放大能力。选用精密对数放大电路LOGl00与外围元件构成前置放大电路。图l虚线框内所示电路为LOGl00的简化内部电路,其动态输人范围1 nA~1 mA,满跨度输出误差(FSO)低于0.37%,与精确对数关系偏离小于O.1%。同时,内部还集成有激光校准电阻,使得该对数放大器在环境温度变化时仍能保持精确输出。LOGl00有4个选择端,通过不同的连接方式,可以很方便得到不同增益。

结果分析

  根据LOGl00的输入输出关系,实验中以I2为基准电流,根据运放反向输入结构有中可通过给定基准电压μ2实现。光电检测部分电路的输出电压一般只有mV量级,同时根据LOGl00器件要求,其输入电流要在l nA~l mA,I1,I2的比值要在l05以内。故图1中的输入电阻R11,R21选择在几十kΩ,以保证对数电路输出精确度,根据这些要求,μ2值设定为几mV。

  因光电转换电路的增益很高,虽然采用精密放大电路,并使用RF和CF限制信号频带,但几乎对所有的输入光信号,其输出噪声都非常高。图2(a)为P=0.7nW时光电转换电路的输出波形,可以看出,噪声与信号在同一个数量级,噪声与信号峰值比接近l,如果以这样的输出直接进行A/D转换,将使数据的准确性大打折扣,虽然可以通过单片机程序中的滤噪子程序来降低数据的出错概率,但软件模拟功能具有一定的局限性,可能无法得到准确的数据输出。图2(b)是通过前置放大电路处理后的输出信号,其波形较光滑,噪信峰值比降低至O.02以下,几乎不用软件滤噪可以将A/D转换的数据直接进行后续处理。由此可见,LOGl00作为前置放大电路在放大有用信号的同时,也有效抑制了噪声,其具体测量数据与理论计算结果差距较小,完全可满足设计要求。图3所示为输入光功率在1.4 nW时理论值(虚线)与测量值(实线)相差不到0.1 V。

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