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光伏式光电检测电路图（二） - 光伏式光电检测电路图大全（四款模拟电路设计原理图详解）
接线图
2023年09月27日 21:02 253
admin
光伏式光电检测电路图（二）
双光路光信号检测电路设计，包括以下几个部分，首先对光耦输出的两路光信号分别进行光电转换，通过光电探测器将光功率转换为电流。然后经过前置放大电路将微弱的电流信号转化成为电压形式。紧接着用带通滤波器将转化的电压信号滤去干扰和噪声以及二次放大。最后，将两路信号进行差分处理。其完整的检测电路如图2所示。
电转换电路设计
光电转换是实现光电检测的核心部分。它将决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响应等。常用的光电探测器件有光敏电阻、半导体光电管、光电池、真空光电管和光电倍增管、电荷耦合器件、光位置敏感器件等。
光纤传感器中，一般采用半导体二极管光电探测器其特点是结构简单，转换效率高，频带宽，可达10GHz．以CO气体检测为例，其在近红外光谱吸收的波长在1．567“m附近，因此选用InGaAsP材料的PIN光电二极管。型号为YSPD718，其响应度0．96A／W，暗电流《1．0nA．
光电二极管一般有2种模式工作：光伏模式和光导模式。该设计待检测信号十分微弱，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，为了消除暗电流的影响，设计时采用光伏模式。
置放大电路设计
光电探测器件紧密连接一个低噪声前置放大器，它的任务是：放大光电探测器件所输出的微弱电信号；匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗。对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。根据以上要求以及综合各方面的因素考虑，最后选定运放OPAl29UB搭建前置放大电路。其输入偏置电流≤100fA，输入失调电压≤2mV，输入失调电压温漂≤10斗V／℃，噪声电压≤15nV／／Hz（10kHz时）。
对于具有恒流源特性的光电探测器，采用高阻负载将有利于获得大的信号电压，故希望采用高阻放大器。但高负载电阻与探测器分布电容和放大器输入电容将增加RC时间常量，影响系统的高频响应，并使其动态范围减小，通常采用跨阻放大器或并联反馈放大器克服这一缺点。设计采用的跨阻放大器的结构框图可以用图3表示。由基本放大器和一个跨接在输入输出端之间的电阻构成。这种放大器利用电阻兄提供电压并联负反馈，减小了放大器的输入阻抗，增加了带宽。其输出电压与输入光功率的关系为
带通滤波电路设计
为保证测量的精确性并具有良好的信噪比，该设计在前置放大电路之后加入二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。
图4所示的二阶带通滤波器是～种二阶压控电压源（VCVS）带通滤波器，由低通滤波器和高通滤波器串接组成哺】。滤波电路中的放大器选用OP297EZ，其输入偏置电压≤50mV，输入失调电流《100pA，输入失调电压温漂≤O．6mV／oC．
在选用元件时，应当考虑由于元件参数值误差对传递函数存在影响。现在规定选择电阻值的容差为l％，电容值的容差为5％。在运放电路中的电阻不宜选择过大或过小。一般为几k欧一几十k欧。因此，选择低通级电路的电容值为103pF，高通级电路的电容值为0．1uF．
对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为，fH=10kHz，同时C=10^3pF，根据公式∞=1／RC计算，并选择标准电阻值R11=16k11．对于第二部分高通滤波器，系统要求的高通截止频率为^=100Hz，做同样的计算可以求得R17=R18=18k欧．为了使阻抗匹配，现选择R13=16k欧，R20=16kft，最后根据滤波器的放大倍数可以算出R14=16k欧，R19=16k欧．
差分放大电路设计
为了更好地抑制共模干扰，减小背景光辐射等外部干扰对测量系统的影响，必须对放大滤波之后的信号进行差分处理。
但是由于光路与电路的硬件时间延迟以及闭环系统相频特性等因素都会引起相位差。为了使两路输出信号在相位上保持一致，在滤波后差分前引入了RC移向环节，其完整的电路如图5所示，电容C25，C29和电阻R25，R26构成一组RC移向电路，同理，在另一光路中电容C26，C30和电阻R27，R28构成另一组RC移向电路。两路信号在移向后幅度和相位都保持一致，然后对其进行差分处理。综合各方面的因素考虑，最后选用INAll4作为差分放大器。其输入偏置电流≤2nA，输入失调电压≤50IzV，输入失调电压温漂≤0．25uV／.C，共模抑制比高达115dBmin．而且INAll4只需一个外部电阻就可设置l一10030之间的任意增益值，从而使得输出与后续信号处理电路想匹配的电压信号。其输出电压与输入电压之间的关系为
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