微变光信号检测前置放大电路设计

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1、万方数据第17卷第3期2009年9月厦门理工学院学报JounlalofXiamenUniversityofTechnologyV01．17No．3Sep．2009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PIN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

2、易行，并采用完全对称结构，能很好地抑制共模信号，并通过PSPICE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；PSPICE仿真[中图分类号】TN702．TN911．74[文献标志码】A[文章编号】1008-380412009)03-0069一040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

3、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n。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PSPICE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1．1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旧J．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

4、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”屁：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．电路中引入恐、R。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，尺，和R：、R，和心、R，和尺。、尺，和风选用相同阻值，使得电路的漂移和失调互相抵消，提高探测精确度．图1光电检测前置放大电路Fig．1Pre-amplifiercircuit[收稿

5、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(35027_20073033)[作者简介]肖雪芳(1977一)，女，福建周宁人，讲师，博士，从事半导体器件和光电检测研究．m厨YY戤慰万方数据·70·厦门理工学院学报2009正1．2理论分析本设计光敏元件采用PIN光电二极管，根据其工作模式，相应等效电路如图2所示．图中电流源厶为光信号转换的电流信号，厶=R·P，式中，尺为PIN光电二极管响应度，P为入射光功率Ck为二极管寄生电容，璐为寄生串联电阻，磁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

6、放大器结合图1与图2，可得≮孛铮昂圈2PIN光电二极管等效电路Fig．2CircuitmodelofPINphotodiodeUl=一厶·Rd·Rl／(Rd+Rs+Rl+R2+焉+R4)=Uol(1)％=一，P·Rd·R2／(Rd+Rs+RI+R2+R3+R4)=U＆(2)在图l中，电阻的参数在满足蜀／色=R8佩关系的情况下，电路输出电压％为Uo=一R7·(碥l一％)／R5(3)将二极管等效电路中以与巩带入到公式(3)中，得：tJo=(玛／R5)‘RdI(Rs+Rd+尺2+Rl+R3+风)·(R+R1)。，P=，^、(R7／R5)·RdI(Rs+Rd+

7、R2+R1+R3+R4)·(R2+R1)·尺·P从式(4)可以看出输出电压％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：Uo≈(R7／R5)·(R2+尺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Ri—R】+是+R3+忍(6)由式(5)、式(6)可以看出引入电阻焉和心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．1．3元件选择分析根据以上分析，电阻尺，和R：决定了输入电压跟随器的电压

8、信号大小，考虑到输入光信号很微弱，通常在几十到几百nw量级，电阻R，和尺：不宜选择太小．同时，