1 電路設計與分析

　　1．1 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為提高增益，RF的取值應選擇盡可能大，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，Rs為光電二極管內阻?？梢钥闯?，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。這里選用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范圍內時，上述影響可以近似忽略，能夠滿足電路的要求。

　　1．2 前置放大電路

　　由于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與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，其動態輸人范圍1 nA～1 mA，滿跨度輸出誤差(FSO)低于0．37％，與精確對數關系最大偏離小于O．1％。同時，內部還集成有激光校準電阻，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，通過不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見文獻。

　　由文獻可知LOGl00的輸入輸出關系為：

　　2 結果分析

　　在弱光測試實驗中，光電二極管使用S1227-66B型PIN硅光電二極管，該器件靈敏度高，暗電流小。為了減小干擾，實驗時電路封裝在金屬盒內，采用±lO V直流穩壓電源供電，電源線與信號線均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發光二極管輸m的周期性光脈沖信號，周期T=105 ms。使用數字示波器觀察并記錄光電轉換電路的輸出和前置放大電路的輸出信號。

　　根據LOGl00的輸入輸出關系，實驗中以I2為基準電流，根據運放反向輸入結構有，即在電路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，雖然采用精密放大電路，并使用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，噪聲與信號在同一個數量級，噪聲與信號峰值比接近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序中的濾噪子程序來降低數據的出錯概率，但軟件模擬功能具有一定的局限性，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后的輸出信號，其波形較光滑，噪信峰值比降低至O．02以下，幾乎不用軟件濾噪可以將A／D轉換的數據直接進行后續處理。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，其具體測量數據與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)與測量值(實線)相差不到0．1 V。