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弱光檢測
閱讀�6695時間�2010-12-23 14:04:36

  弱光檢測通常是先將光信號通過光電器件�(zhuǎn)換成電信�,再�(jīng)前置放大電路放大�,由A/D�(zhuǎn)換電路將模擬信號�(zhuǎn)換成�(shù)字信號�(jìn)行分析處理。弱光檢測技�(shù)廣泛�(yīng)用于�(xiàn)代通信、醫(yī)療和科研等領(lǐng)�。弱光檢測電路一個重要性能指標(biāo)是對噪聲的濾除能�,但在弱光檢測時,光信號與噪聲幾乎處于同一�(shù)量級,信號很容易淹沒在噪聲中,不利于后續(xù)電路處理。傳�(tǒng)方法是采用電路級�(lián)來濾除干�,放大信�;但這種電路需用精�電阻,且�(shè)計復(fù)�,電路體積大,可靠性差。隨著集成對�(shù)放大電路的發(fā)展,其寬動態(tài)范圍、高精確輸出的顯著特�(diǎn),光檢測電路也得到不斷發(fā)展與完善,對�(shù)電路具有�(yōu)異的�(shù)�(jù)壓縮性能,可將很寬的輸入動態(tài)范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍�(nèi)�

光電�(zhuǎn)換電�

  �1為光電檢測電�。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�,S為光電二極管的靈敏度,P為入射光功率。在檢測弱光信號時,RF為提高增�,RF的取值應(yīng)選擇盡可能大,放大器的輸入偏置電流IB和輸入失�(diào)電壓VB對輸出電壓的影響分別為IBRF和為光電二極管內(nèi)�。可以看�,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�(diào)電壓均很低的�(yùn)算放大器。這里選用0PAlll型高精度�(yùn)算放大器,其偏置電流約為0�8 pA,輸入失�(diào)電壓�100μV。經(jīng)過計算,RF的值取在幾百M(fèi)Ω范圍�(nèi)�,上述影響可以近似忽�,能夠滿足電路的要求�

光電轉(zhuǎn)換電路

前置放大電路

  由于光電�(zhuǎn)換電路的輸出信號通常在mV�(shù)量級,且信號常常淹沒在噪聲中,因此前置放大部分需有較�(qiáng)的濾噪和放大能力。選用精密對�(shù)放大電路LOGl00與外圍元件構(gòu)成前置放大電路。圖l虛線框內(nèi)所示電路為LOGl00的簡化內(nèi)部電�,其動態(tài)輸人范圍1 nA�1 mA,滿跨度輸出誤差(FSO)低于0�37�,與精確對數(shù)�(guān)系偏離小于O�1�。同時,�(nèi)部還集成有激光校�(zhǔn)電阻,使得該對數(shù)放大器在�(huán)境溫度變化時仍能保持精確輸出。LOGl00�4個選擇端,通過不同的連接方式,可以很方便得到不同增益�

�(jié)果分�

  根據(jù)LOGl00的輸入輸出關(guān)�,實(shí)驗中以I2為基�(zhǔn)電流,根�(jù)�(yùn)放反向輸入結(jié)�(gòu)有中可通過給定基準(zhǔn)電壓μ2�(shí)�(xiàn)。光電檢測部分電路的輸出電壓一般只有mV量級,同時根�(jù)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(nèi)。故�1中的輸入電阻R11,R21選擇在幾十kΩ,以保證對數(shù)電路輸出精確�,根�(jù)這些要求,�2值設(shè)定為幾mV�

  因光電轉(zhuǎn)換電路的增益很高,雖然采用精密放大電�,并使用RF和CF限制信號頻帶,但幾乎對所有的輸入光信�,其輸出噪聲都非常高。圖2(a)為P=0�7nW時光電轉(zhuǎn)換電路的輸出波形,可以看出,噪聲與信號在同一個數(shù)量級,噪聲與信號峰值比接近l,如果以這樣的輸出直接�(jìn)行A/D�(zhuǎn)換,將使�(shù)�(jù)的準(zhǔn)確性大打折�,雖然可以通過單片�(jī)程序中的濾噪子程序來降低�(shù)�(jù)的出錯概�,但軟件模擬功能具有一定的局限�,可能無法得到準(zhǔn)確的�(shù)�(jù)輸出。圖2(b)是通過前置放大電路處理后的輸出信號,其波形較光�,噪信峰值比降低至O�02以下,幾乎不用軟件濾噪可以將A/D�(zhuǎn)換的�(shù)�(jù)直接�(jìn)行后�(xù)處理。由此可�,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�,其具體測量�(shù)�(jù)與理論計算結(jié)果差距較�,完全可滿足�(shè)計要�。圖3所示為輸入光功率在1�4 nW時理論�(虛線)與測量�(�(shí)�)相差不到0�1 V�

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