一种光电烟支检测器前置放大电路的设计

摘　要】光电烟支检测器是一种在线烟支检测设备，在烟支质量控制方面发挥了重要作用。前置放大电路是其中关键电路之一。本文重点介绍了前置放大电路的噪声来源，并就如何降低噪声干扰做了分析。

【关键词】前置放大电路；噪声分析０　绪论

光电烟支检测器可以在线检测并剔除不合格的烟支，在烟支质量控制上发挥着极为重要的作用。采用光电检测的方式可以实现非接触、高速、精确检测，非常适用于高速卷接机组。

前置放大电路是光电烟支检测器电路中关键电路之一，它的作用是先进行光电转换，将烟丝端散射出的光信号转换为电信号，再将电信号放大送到后级电路处理，作为整个电路的“眼睛”，它的性能好坏直接关系到整个系统的性能好坏。

１　前置放大电路噪声分析

烟支检测器中光电转换器件采用的是光电二极管，经光电二极管转换的电信号相当微弱，很容易受到噪声的干扰，所以在设计该部分电路时要尽量减小噪声，提高信噪比和检测分辨率。噪声源主要来自3个方面，一是光电管，二是前置放大器，三是外部噪声。

１．１　光电二极管的噪声

光电二极管的光电流一般为nA至μA级，其主要噪声是热噪声和散粒噪声。

１.1.1　热噪声

热噪声是导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生的随机涨落电压，它是电阻性电路器件的共性噪声。噪声电压均方值取决于材料的温度，电阻及噪声等效带宽，一般关系式为:

UT2=4KT■R（ｆ）ｄｆ （1）

式中，K是波尔兹曼常数，T是材料的绝对温度，R（f）表示光电检测电路中总电阻随频率的变化关系。在纯电阻的简单情况下，R与频谱无关，上式变为:UT2=4KTRΔf,在温度一定时，热噪声只与电阻和噪声等效带宽Δf有关；当温度为T=300K,KT=4.14×10-21J，电阻的噪声电压和电流有效值变为：

UT＝■＝1.29■×10－10J■

IT=1.29■×10－10J■

可以看出电阻R是主要的热噪声源，在R不变的情况下减小T和Δf的值可以减小噪声。

１.1.2　散粒噪声

由光生载流子形成和流动密度的涨落而造成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声电流均方值为：

In2=2qIΔf （2）

式中：q为电子电荷量，I为通过光电管的光电流、暗电流及背景光电流的平均值，Δf为等效噪声带宽。可以看出减小I及Δf可有效减小散粒噪声。

综合１.1.1和１.1.2两点可知：若要减小此环节的噪声，应选取暗电流小的管子，Δf尽可能小，尽量工作在低温环境。

１.2　前置放大器的噪声

图1是前置放大电路噪声等效模型，其中ｅ■■和i■■分别为运放的均方根输入噪声电压和电流。

图1　放大电路噪声等效模型

运放的噪声电压和电流对电路的影响可视为噪声输入电压源和电流源的作用，它们对输出端噪声电压的贡献En1和En2分别为：

E■=（■Ｒ■■）■＝（ｉ■■ΔfＲ■■）■＝■■

E■＝（ｅ■■ΔfＲ■■／Ｒ■■）■＝■■．

运放存在输入失调电流和失调电流，其值随温度漂移，失调电压和失调电流会在输出端产生噪声，同时反馈电阻也会对输出端噪声有影响。各噪声源互不相关，总的噪声En等于各噪声源单独存在时的均方根值。

光电二极管的信号电流经运算放大器后的输出：

En=IpRf=SPRf

S为光电二极管的灵敏度，P为入射光功率

若要减小此环节的噪声，应选取低偏置低漂移的元件，同时要求电源稳定、环境温度恒定、反馈电阻选取适当。

1.3　外界因素

外部扰动包括辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射以及检测电路所受到的电磁干扰等。这些扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤色片以及电气屏蔽、电干扰滤波等措施加以改善或消除。本项目光源为经过调制的稳定的红外光。

２　前置放大电路设计

本项目中选用的光探测器是硅光电二极管，光照特性曲线线性较好，暗电流较小，其光谱特性正好和发射管的峰值波长匹配。它的输出端紧密连接了一个低噪声的前置放大器，它的任务是放大光电转换输出的微弱电信号，并匹配光电管与后级处理电路的阻抗，具体电路见图2。

图2　低噪声光电二极管前置放大电路

在本项目中硅PIN管内阻在几十千欧到上百千欧之间，选低噪声的集成运放较为合适。从图中可以看出，前部分运放和RC组成的电路实现的功能是I-V变换，利用运放的“虚短”可知输出电压为：

Uo1=-IpRf

其中Ip为光电流，Rf是反馈电阻。后部分实现的功能是光电流信号的放大,放大倍数为A=R4/R2＝9.75。针对上述的3个噪声来源，为了尽量减小噪声提高输出信号的信噪比，该前置放大电路设计时考虑了以下几点：

（1）采用电流放大型，光电二极管采取无偏压的工作方式，这样可减小暗电流，提高检测精度。

（2）选取光电二级管时应注意暗电流和结电容Cj应尽量小，等效电阻Rd应尽可能大。因为Cj不仅影响噪声的带宽，而且影响噪声的大小,本课题选用的光电二级管型号为BPW34，其Cj为1.1pf，暗电流为2nA(25℃)。

（3）反馈电阻Rf在满足频带和输出范围的情况下不能太大，否则会产生较大噪声，本电路的Rf为100kΩ。

（4）尽量减小电路的通频带Δf，在反馈电阻Rf的两端并联小电容防止自激。

（5）选用超低偏置电流的运算放大器，以提高检测的灵敏度和精度。因为偏置电流会在反馈电阻上产生偏移电压，本电路选用的是TL072，属于低噪声元件，等效输入噪声电压En＝15nV/■。

（6）为了减小外界杂散光影响，光电管使用金属外壳屏蔽且外壳接地；PCB布线时尽量短；光源采用稳定的经过调制的红外光；运放的电源管脚和地管脚之间跨接了滤波电容以提高电源稳定度。

３　结束语

光电检测的前置放大电路的噪声主要来自3个方面，与光电管的材料、结构、放大器件、电源、光源、温度、周围环境等诸多因素相关，在设计时除了考虑电信号外还要考虑光信号，例如本项目中使用的光纤导光束，它提供了光的发射和接收通道，它的结构、材料、损耗等指标和后面的电路密切相关，是本项目的关键件。实践证明光电烟支检测器在烟支质量检测上性能良好，前置放大电路的设计是较为成功的。

【参考文献】

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［２］雷玉堂．光电检测技术[Ｍ]．中国计量出版社．

［３］吕俊芳．传感器接口与检测仪器电路[Ｍ]．北京航空航天出版社，1993．

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［５］Terry Bartelt．Industrial Control Electronics Devices,Systems and Applications[Ｍ]．清华大学出版社，2005．

［责任编辑：王静］