一種光電煙支檢測(cè)器前置放大電路的設(shè)計(jì)

裴全喜劉慶偉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所 安徽 蚌埠 233010；2.天津卷煙廠 中國 天津 300012）

0 緒論

光電煙支檢測(cè)器可以在線檢測(cè)并剔除不合格的煙支，在煙支質(zhì)量控制上發(fā)揮著極為重要的作用。采用光電檢測(cè)的方式可以實(shí)現(xiàn)非接觸、高速、精確檢測(cè)，非常適用于高速卷接機(jī)組。

前置放大電路是光電煙支檢測(cè)器電路中關(guān)鍵電路之一，它的作用是先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將煙絲端散射出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)放大送到后級(jí)電路處理，作為整個(gè)電路的 “眼睛”，它的性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能好壞。

1 前置放大電路噪聲分析

煙支檢測(cè)器中光電轉(zhuǎn)換器件采用的是光電二極管，經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換的電信號(hào)相當(dāng)微弱，很容易受到噪聲的干擾，所以在設(shè)計(jì)該部分電路時(shí)要盡量減小噪聲，提高信噪比和檢測(cè)分辨率。噪聲源主要來自3個(gè)方面，一是光電管，二是前置放大器，三是外部噪聲。

1.1 光電二極管的噪聲

光電二極管的光電流一般為nA至μA級(jí)，其主要噪聲是熱噪聲和散粒噪聲。

1.1.1 熱噪聲

熱噪聲是導(dǎo)電材料中載流子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)在材料兩端產(chǎn)生的隨機(jī)漲落電壓，它是電阻性電路器件的共性噪聲。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度，電阻及噪聲等效帶寬，一般關(guān)系式為:

式中，K是波爾茲曼常數(shù)，T是材料的絕對(duì)溫度，R （f）表示光電檢測(cè)電路中總電阻隨頻率的變化關(guān)系。在純電阻的簡(jiǎn)單情況下，R與頻譜無關(guān)，上式變?yōu)?UT2=4KTRΔf,在溫度一定時(shí)，熱噪聲只與電阻和噪聲等效帶寬Δf有關(guān)；當(dāng)溫度為T= 300K,KT=4.14×10-21J，電阻的噪聲電壓和電流有效值變?yōu)椋?/p>

可以看出電阻R是主要的熱噪聲源，在R不變的情況下減小T和Δf的值可以減小噪聲。

1.1.2 散粒噪聲

由光生載流子形成和流動(dòng)密度的漲落而造成的噪聲稱為散粒噪聲，散粒噪聲電流均方值為：

式中：q為電子電荷量，I為通過光電管的光電流、暗電流及背景光電流的平均值，Δf為等效噪聲帶寬。可以看出減小I及Δf可有效減小散粒噪聲。

綜合1.1.1和1.1.2兩點(diǎn)可知：若要減小此環(huán)節(jié)的噪聲，應(yīng)選取暗電流小的管子，Δf盡可能小，盡量工作在低溫環(huán)境。

1.2 前置放大器的噪聲

圖1 放大電路噪聲等效模型

運(yùn)放的噪聲電壓和電流對(duì)電路的影響可視為噪聲輸入電壓源和電流源的作用，它們對(duì)輸出端噪聲電壓的貢獻(xiàn)En1和En2分別為：

運(yùn)放存在輸入失調(diào)電流和失調(diào)電流，其值隨溫度漂移，失調(diào)電壓和失調(diào)電流會(huì)在輸出端產(chǎn)生噪聲，同時(shí)反饋電阻也會(huì)對(duì)輸出端噪聲有影響。各噪聲源互不相關(guān)，總的噪聲En等于各噪聲源單獨(dú)存在時(shí)的均方根值。

光電二極管的信號(hào)電流經(jīng)運(yùn)算放大器后的輸出：

S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率

若要減小此環(huán)節(jié)的噪聲，應(yīng)選取低偏置低漂移的元件，同時(shí)要求電源穩(wěn)定、環(huán)境溫度恒定、反饋電阻選取適當(dāng)。

1.3 外界因素

外部擾動(dòng)包括輻射源的隨機(jī)波動(dòng)和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測(cè)電路所受到的電磁干擾等。這些擾動(dòng)可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或?yàn)V色片以及電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。本項(xiàng)目光源為經(jīng)過調(diào)制的穩(wěn)定的紅外光。

2 前置放大電路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中選用的光探測(cè)器是硅光電二極管，光照特性曲線線性較好，暗電流較小，其光譜特性正好和發(fā)射管的峰值波長(zhǎng)匹配。它的輸出端緊密連接了一個(gè)低噪聲的前置放大器，它的任務(wù)是放大光電轉(zhuǎn)換輸出的微弱電信號(hào)，并匹配光電管與后級(jí)處理電路的阻抗，具體電路見圖2。

圖2 低噪聲光電二極管前置放大電路

在本項(xiàng)目中硅PIN管內(nèi)阻在幾十千歐到上百千歐之間，選低噪聲的集成運(yùn)放較為合適。從圖中可以看出，前部分運(yùn)放和RC組成的電路實(shí)現(xiàn)的功能是I-V變換，利用運(yùn)放的“虛短”可知輸出電壓為：

其中Ip為光電流，Rf是反饋電阻。后部分實(shí)現(xiàn)的功能是光電流信號(hào)的放大,放大倍數(shù)為A=R4/R2＝9.75。針對(duì)上述的3個(gè)噪聲來源，為了盡量減小噪聲提高輸出信號(hào)的信噪比，該前置放大電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下幾點(diǎn)：

（1）采用電流放大型，光電二極管采取無偏壓的工作方式，這樣可減小暗電流，提高檢測(cè)精度。

（2）選取光電二級(jí)管時(shí)應(yīng)注意暗電流和結(jié)電容Cj應(yīng)盡量小，等效電阻Rd應(yīng)盡可能大。因?yàn)镃j不僅影響噪聲的帶寬，而且影響噪聲的大小,本課題選用的光電二級(jí)管型號(hào)為BPW34，其Cj為1.1pf，暗電流為2nA(25℃)。

（3）反饋電阻Rf在滿足頻帶和輸出范圍的情況下不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，本電路的Rf為100kΩ。

（4）盡量減小電路的通頻帶Δf，在反饋電阻Rf的兩端并聯(lián)小電容防止自激。

（5）選用超低偏置電流的運(yùn)算放大器，以提高檢測(cè)的靈敏度和精度。因?yàn)槠秒娏鲿?huì)在反饋電阻上產(chǎn)生偏移電壓，本電路選用的是TL072，屬于低噪聲元件，等效輸入噪聲電壓

（6）為了減小外界雜散光影響，光電管使用金屬外殼屏蔽且外殼接地；PCB布線時(shí)盡量短；光源采用穩(wěn)定的經(jīng)過調(diào)制的紅外光；運(yùn)放的電源管腳和地管腳之間跨接了濾波電容以提高電源穩(wěn)定度。

3 結(jié)束語

光電檢測(cè)的前置放大電路的噪聲主要來自3個(gè)方面，與光電管的材料、結(jié)構(gòu)、放大器件、電源、光源、溫度、周圍環(huán)境等諸多因素相關(guān)，在設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮電信號(hào)外還要考慮光信號(hào)，例如本項(xiàng)目中使用的光纖導(dǎo)光束，它提供了光的發(fā)射和接收通道，它的結(jié)構(gòu)、材料、損耗等指標(biāo)和后面的電路密切相關(guān)，是本項(xiàng)目的關(guān)鍵件。實(shí)踐證明光電煙支檢測(cè)器在煙支質(zhì)量檢測(cè)上性能良好，前置放大電路的設(shè)計(jì)是較為成功的。

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