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。

　　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。

　　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。