应用于光散射技术中的光电探测器设计

孔雁凯，朱 杰，王 超

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051;2.电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051;3.北华航天工业学院，河北 廊坊065000)

0 引 言

光电检测技术是光学与电子学相结合的检测技术，它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示［1］。以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域。光散射技术就是一种重要的光电检测技术。

光散射技术在高分子科学中的应用已经比较成熟，合成高聚物和生物大分子的许多重要性质通过静态光散射和动态光散射来测定。在静态光散射中，通过测定时间平均散射光强的角度和浓度的依赖性，可以精确地得到高聚物的重均分子量Mw、均方旋转半径R2gz和第二维里系数A2［2］。但散射光经二极管转换成的电信号一般比较微弱，很容易受到噪声的干扰，在设计检测电路时要尽量减小噪声，提高系统信噪比和检测精度。基于以上原因，本文设计了一种具有高信噪比光电转换电路，微弱的电信号通过前置放大电路，滤波电路，主放大电路后，得到了V 数量级的电压信号。经实验验证:该设计能够有效降低噪声，而且有很好的稳定性，可以很好地完成静态散射光强的测量。

1 光散射的基本原理

当一束光沿着入射方向照射到聚合物稀溶液时，光束中聚合物分子在光的电磁波作用下极化，形成诱导偶极子，这些振动的偶极子成为二次波源，向各个方向发射出电磁波。在纯净的均匀介质中，这些次波相互干涉的结果使光线只能在折射方向上传播，而在其它方向上则相互抵消，所以，没有散射光出现。但当均匀介质中掺入进行着布朗运动的微粒后，或者体系由于热运动而产生局部的密度或浓度涨落时，就会破坏溶剂次波的相干性，而在其它方向上出现散射光［3］。

光散射技术以光散射理论为基础，通过检测散射光强度，然后利用相应的理论公式进行数据反演，从而得到散射体的一些重要特性。

光散射技术之所以能在很短的时间内获得广泛的应用，因为与其它测量方法相比具有如下显著的优点［4］:粒径测量范围宽，从几个纳米到上千个微米;测量速度快，光电转换的时间非常短(约10－8s)，同时还具有适用性非常广、测量准确等特点。

2 电路设计

光电检测器所接收的信号一般非常微弱，而且光检测器输出的信号往往和噪声混合在一起，所以，要求信号先后通过前置放大电路、滤波电路、主放大电路，从而使输出幅度符合后续数据采集［5］。光电检测组成框图如图1 所示。

图1 光电转换电路模块结构框图Fig 1 Structure block diagram of photoelectric conversion circuit module

2.1 前置放大电路

光电二极管在受到光照时，会产生与照度呈正比的微弱电流，因此，它是比较好的光电敏感元件。光电二极管一般有两种工作模式:光伏模式和光导模式。图2 为两种偏置模式的偏置电路。

图2 光电二极管的工作模式Fig 2 Operating mode of photodiodes

在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作;在光导模式时，光电二极管可实现快速切换，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照.仍有一个很小的电流(称为暗电流或无照电流)。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声。一般情况下，光电检测电路中被测信号比较微弱，因此，暗电流的影响一般非常明显［6］。考虑到本设计中待测信号比较微弱，降低噪声干扰成为电路设计的关键，所以，依据低噪声光电检测设计的基本原则，电路选择光伏模式。图3 为前置放大电路原理图。

其中，光电二极管选用的是日本滨松公司的S1226 系列的S1226—4BQ。这一型号的光电二极管感光面积比较大，为3.6 mm×3.6 mm，最大噪声电流为10 pA。前置放大器选用AD549，它具有极低输入偏置电流和低输入偏置电压，1015Ω 的共模输入阻抗和低噪声低温漂特性，因此，特别适合作敏感的光电二极管的前置放大器。光电二极管产生的微弱电流通过反馈电阻器Rf(1 GΩ)形成压降，从而完成电流到电压的I/V 前置放大转换。C1(10 pF)与Rf并联构成低通滤波电路，其上限截止频率为1/(2πRfC1)，通过滤波可以有效提高信噪比，同时还可以防止电路振荡。R8，R9 和R 10组成了AD549 前置放大器的调零电路。电容器C2 和C4 用于滤除电源波动。

图3 前置放大电路Fig 3 Preamplifier circuit

2.2 一级放大电路

为了使电路有良好的信噪比，需要对信号进行滤波处理以确保测量的精确。利用示波器对前置放大电路输出信号观测，发现干扰信号主要是50 Hz 的正弦波。

初步分析干扰信号为工频辐射，因此，设计了如图4 的低通有源滤波电路。

图4 低通有源滤波电路Fig 4 Low pass active filtering circuit

该电路中，运放选择的是OP07，它是一种低噪声，非斩波稳零的双极型运放，同时OP07 具有较低的失调电压漂移和高开环增益，因此，它特别适合用于高增益的测量设备和放大传感器输出的微弱信号。该滤波电路的上限截止频率为1/(2πR4C5)。实际上，该电路利用了积分电路的低通特性。由于积分电路当频率趋于零时电压放大倍数趋于无穷大，故在电路中电容器C5 上并联了一个电阻器R4 组成负反馈网络，使得当频率趋于零时电路的放大倍数取决于电阻组成的负反馈网络而不是无穷大。令信号频率为0，可得到通带放大倍数为

因此，该电路不但有滤波功能，而且对信号有放大功能，所以，如果接收的光信号比较强，从Out1 口就可以得到几百毫伏到几伏的电压输出。

2.3 二级放大电路

因为不同粒度的微粒散射光强度不同，粒度小的散射光的光强十分微弱，产生的电信号较小，为了达到后续处理需要的幅度，需要对电信号进行二次放大，因此，设计了如图5 的二级放大电路。

图5 二级放大电路Fig 5 The secondary amplifier circuit

考虑到滤波电路未滤净的干扰信号可能被再次放大，影响二级输出信号的信噪比，所以，加了电容器C3，使电路增加了滤波功能。该电路实际上是一级RC 无源低通滤波电路的输出端加上了一个同相比例放大电路，使之与负载很好地隔离开来，就构成了一个简单的带同相比例放大电路的一阶有源低通滤波电路，由于同相比例放大电路的输入阻抗很高、输出阻抗很低，因此，其带负载能力很强。

2.4 电路中的噪声分析与处理

信号中的噪声主要来源于两方面:电路本身的噪声和外部噪声。电路本身噪声主要是电学器件的噪声，包括光电二极管的热噪声和散粒噪声以及暗电流的影响［7］，此外还有其他电阻器等元件的温漂等。而本设计中的光电二极管采取的是无偏压的工作方式，有效地减小了暗电流。其他的元器件采用的都是低噪声低温漂特性的，通过这些措施解决了电路本身噪声的影响。

外部噪声包括辐射的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流、背景起伏、杂散光的入射、振动、电源的波动及检测电路所受到的电磁干扰等.为了改善或消除这些噪声，实验时提高了电源的稳定度，稳定了辐射光源，遮断了杂光。而对于电路中的主要噪声源，即50 Hz 的工频干扰，采取了滤波处理。

3 实验测试

3.1 测试流程

测试实验示意图如图6，实验流程如下:

1)激光发射器发射的678 nm 的红光经过中性密度衰减片，由样品槽上的细孔a 射到c 处的装有甲苯溶液的样品瓶，透射光由b 孔射出。

2)在d 孔处安装光电转换电路接收甲苯溶液的散射光，并用示波器和万用表观测电路输出的电压信号的波形和大小，记录数据。

3)更换不同透射率的中性密度衰减片来改变入射光强度，然后重复(1)，(2)步骤操作流程。

图6 测试实验示意图Fig 6 Schematic diagram of testing experiment

图7 为一些主要装置实物照片。

图7 激光器和样品槽Fig 7 Laser and sample cell

实验中，以改变衰减片的透射率来来改变散射光光强，得到数据的相当于输出电压对光强的响应。

重复2 次实验，数据记录如表1。

表1 数据记录表Tab 1 Data record sheet

3.2 测试结果分析

理论上，输出电压和散射光光强呈正比，这是由光电二极管的响应特性和工作方式决定的。因为本设计中光电二极管是光伏工作模式，所以，理论上讲光电二极管应该非常精确的线性工作［5］。

利用Origin 软件对表1 数据拟合得到图8，由图可知，响应曲线的线性度比较好，而且2 次实验数据的重复度也比较高，说明电路所选的光电二极管可以比较好的线性工作，满足光电检测要求。

造成部分点偏差比较大可能是如下原因:甲苯溶液中的散射体不均匀而且是流动的，对散射光的强度影响比较大;衰减片本身存在5%的误差;每次安装衰减片时，衰减片平面未必与入射光成精确的90°角;光电转换电路中的光电二极管安装到样品槽上时存在角度偏差。

图8 实验数据拟合曲线图Fig 8 Experimental data fitting curve

经过滤波后，测量输出电压的交流分量在2 mV 以下，如图9。这说明50 Hz 的工频干扰信号被滤波电路有效地滤掉了。此外，通过示波器观测输出可知，输出信号为稳定的直流电压信号，如图10，与理论推测相符合。由此说明，经过对电路本身噪声和外部噪声的处理，使得光电转换电路获得了较高的信噪比。

图9 输出电压的交流分量Fig 9 AC component of output voltage

4 结束语

本文完成了光电探测器的设计，搭建了静态散射光强测量的实验环境，对光电探测器进行了测试和数据分析，并在实验数据的基础上，对电路应用的可行性和噪声来源进行了分析，给出了降噪的方案。实验结果表明:该设计满足静态光散射实验中测试要求，在研究合成高聚物和生物大分子等高分子科学中有很好的应用前景。

图10 输出电压波形图Fig 10 Waveform of output voltage

［1］ 宋丰华.现代光电器件技术及应用［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［2］ 王美荣，金志琳.光散射技术及其在化学与化工领域中的应用［J］.山东化工，2005，34(1):16－60.

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［5］ 李远明，陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计［J］.电子元器件应用，2007，9(8):51－53.

［6］ 宋 涛，张 斌，罗倩倩.光电转换电路的设计与优化［J］.光电技术应用，2010，25(6):46－48.

［7］ 胡 涛，司汉英.光电探测器前置放大电路设计与研究［J］.光电技术应用，2010，25(1):52－55.