弱光檢測通常是先將光信號通過光電器件轉換成電信號，再經前置放大電路放大後，由A/D轉換電路將模擬信號轉換成數位訊號進行分析處理。弱光檢測技術廣泛套用於現代通信、醫療和科研等領域。弱光檢測電路一個重要性能指標是對噪聲的濾除能力，但在弱光檢測時，光信號和噪聲幾乎處於同一數量級，信號很容易淹沒在噪聲中，不利於後續電路處理。傳統方法是採用電路級聯來濾除干擾，放大信號；但這種電路需用精密電阻，且設計複雜，電路體積大，可靠性差。隨著集成對數放大電路的發展，其寬動態範圍、高精確輸出的顯著特點，光檢測電路也得到不斷發展和完善，對數電路具有優異的數據壓縮性能，可將很寬的輸入動態範圍信號壓縮在很窄的電壓範圍內。
基本介紹
- 中文名：弱光檢測
- 外文名：weak light detection
- 方法：濾除干擾，放大信號
- 特點：態範圍、高精確輸出
- 工具：光電器件
光電轉換電路,前置放大電路,結果分析,
光電轉換電路
圖1為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極體的靈敏度，P為入射光功率。在檢測弱光信號時，RF為提高增益，RF的取值應選擇儘可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調電壓VB對輸出電壓的影響分別為IBRF和為光電二極體內阻。可以看出，減小RF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電壓均很低的運算放大器。這裡選用0PAlll型高精度運算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調電壓約100μV。經過計算，RF的值取在幾百MΩ範圍內時，上述影響可以近似忽略，能夠滿足電路的要求。
前置放大電路
由於光電轉換電路的輸出信號通常在mV數量級，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。選用精密對數放大電路LOGl00和外圍元件構成前置放大電路。圖l虛線框內所示電路為LOGl00的簡化內部電路，其動態輸人範圍1 nA～1 mA，滿跨度輸出誤差(FSO)低於0．37%，和精確對數關係最大偏離小於O．1%。同時，內部還集成有雷射校準電阻，使得該對數放大器在環境溫度變化時仍能保持精確輸出。LOGl00有4個選擇端，通過不同的連線方式，可以很方便得到不同增益。
結果分析
根據LOGl00的輸入輸出關係，實驗中以I2為基準電流，根據運放反向輸入結構有中可通過給定基準電壓μ2實現。光電檢測部分電路的輸出電壓一般只有mV量級，同時根據LOGl00器件要求，其輸入電流要在l nA～l mA，I1，I2的比值要在l05以內。故圖1中的輸入電阻R11，R21選擇在幾十kΩ，以保證對數電路輸出精確度，根據這些要求，μ2值設定為幾mV。
因光電轉換電路的增益很高，雖然採用精密放大電路，並使用RF和CF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時光電轉換電路的輸出波形，可以看出，噪聲和信號在同一個數量級，噪聲和信號峰值比接近l，如果以這樣的輸出直接進行A/D轉換，將使數據的準確性大打折扣，雖然可以通過單片機程式中的濾噪子程式來降低數據的出錯機率，但軟體模擬作用具有一定的局限性，可能無法得到準確的數據輸出。圖2(b)是通過前置放大電路處理後的輸出信號，其波形較光滑，噪信峰值比降低至O．02以下，幾乎不用軟體濾噪可以將A/D轉換的數據直接進行後續處理。由此可見，LOGl00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，其具體測量數據和理論計算結果差距較小，完全可滿足設計要求。圖3所示為輸入光功率在1．4 nW時理論值(虛線)和測量值(實線)相差不到0．1 V。
