紫外告警光接收机设计

宫玉琳，李洪祚，文大化

（1.长春理工大学　电子信息工程学院，长春　130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春　130033）

紫外告警光接收机设计

宫玉琳1，李洪祚1，文大化2

（1.长春理工大学电子信息工程学院，长春130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

随着光电技术的不断发展，光电技术在民用和军用领域应用越来越多，对光的应用也不仅限于可见光范围，正不断地向光谱的两端扩展。各种红外和紫外设备已经得到广泛应用。相比于红外波段的应用，紫外波段应用起步较晚，但发展迅速，凭借其特有的优点，在军事领域尤为重视。紫外告警技术就是在导弹预警中的应用，具有广阔的前景和重要意义。本文对紫外光信号检测和信号处理技术进行了深入分析和研究，设计了紫外告警光接收机，并对接收机系统噪声进行了详细分析。仿真和实验表明，本文设计的紫外告警光接收机具有精度高、稳定可靠的特点，对紫外告警技术的发展具有积极作用。

紫外告警；光接收机；光电转换

在太阳辐射源中的220～280nm波段紫外线，几乎被臭氧层吸收，紫外告警正是利用这一点，通过探测导道发出的220～280nm波段的紫外线，实现告警。紫外告警要在太阳辐射背景下检测微弱的紫外光信号，这就要接收机具备灵敏度高、稳定可靠等特点，研究紫外告警接收机具有重要意义。

本文设计的紫外告警接收机由光电转换电路、带通滤波电路和差分放大电路组成，原理如图1所示。

图1　紫外告警接收机原理

1　光电转换电路设计

1.1光电转换电路

光电转换电路是实现光信号检测的前提，直接影响整个检测系统的性能。基本光电转换电路如图2所示。

图2　光电转换电路

由图2可得，光电转换电路的输出电压Uo为：

本文采用GENUV公司的紫外线探测器GUVC-T10GD-L，其参数如表1所示。

表1　GUVC-T10GD-L相关参数

由表1可知，探测器GUVC-T10GD-L的响应度典型值为0.05A/W，结电容为80pF，当反馈电阻Rf取50kΩ时，由式（2）计算可得光电转换电路的高频截止频率fH为：

可见，光电转换电路具有很高的高频截止频率。

由于GUVC-T10GD-L光敏面积为1.536mm2，响应率为0.05A/W，当紫外光以100W/m2的辐射度照射时，那么在探测器上可得到辐射功率P为：

可进一步求得，探测器GUVC-T10GD-L的输出电流IP为：

经过光电转换电路可得输出电压Uo为：

1.2光电检测电路的噪声分析

光电检测电路中噪声的主要来源为热噪声UT和散粒噪声 IS，热噪声UT和散粒噪声 IS计算如下：

式中，K为玻尔兹曼常数；T为材料的绝对温度；R为探测器等效后的电阻；q为电子电荷量；IP为光电流平均值；Δf为检测电路的通频带。

可见，减小通频带可以有效的减小噪声，因此，本文在光电转换电路中将反馈电阻Rf和Cin并联用以减小通频带，如图3所示。此外，由于运算放大器有几十pF的输入寄生电容Cin，反馈电阻Rf和Cin会构成新的极点，引起振荡，将反馈电阻Rf与Cf并联还可以通过相位补偿的方法防止振荡［1］。

图3　抑制噪声的光电转换电路

本文采用的紫外光探测器GUVC-T10GD-L在紫外光强达到100W时所产生的光电流为9.22μA，当温度 T=300K，KT=4.14×10-21J，Rf=50kΩ，电路通频带Δf=1.99MHz时，热噪声UT和散粒噪声电压US分别为：

总噪声输出电流IN为：

总噪声电压UN为：

光电转换信噪比为：

可见，本文设计的光电转换电路具有较好的性能。

2　信号处理电路设计

经过光电转换之后输出的电信号较弱，需要对其进行放大和处理，同时最大限度抑制噪声干扰，信号处理电路的设计尤为重要。本文设计的信号处理电路由带通滤波电路和差分放大电路构成。

2.1滤波电路

为了进一步减小信号处理电路中存在的热噪声、白噪声等噪声和电磁干扰、静电干扰，需要采用适当的滤波电路对这些噪声和干扰进行滤除，提高信噪比。因此，本文选取Texas Instruments公司的UA741芯片，设计了图4所示的压控电压源型二阶低通滤波电路，实现对信号的滤波，滤波器的截止频率为10kHz。

图4　压控电压源型二阶带通滤波电路

为了方便电路的设计，电路中选取R1=R2=R，C1=C2=C，则通带截止频率为：

若选取电容C=100pF，由式（23）计算可得R≈1.59kΩ，实际电路中选取R=1.6kΩ。

由 Auf=2可得带通滤波电路的输出为Uo2=Auf×Uo1=-0.922V。

2.2差分放大电路

差分放大电路如图5所示，电路的第一级由A1、A2和R1、R2、RG构成同相比例放大电路，电路通过RG将两电压跟随器的反向端连接起来构成具有高输入阻抗的放大电路，对微弱信号具有很好的放大作用。电路的第二级由A3和电阻R3、R4、R5、R6构成差动放大电路，用于消除第一级放大电路中的共模信号。

图5　差分放大电路

输入信号UI1和UI2写作：

将运算放大器A1、A2、A3的失调电压记为UIO1、UIO2、UIO3，若 A1与 A2间的失调电压为UIO、失调电流是IIO，可得UIO=UIO1-UIO2。

（1）闭环差模电压增益Auf

若只研究 Auf1时，可以使 UIc=0，由于R1=R2、R3=R4、R5=R6，A1与 A2对称，UIO=0、IIO=0，计算可得电路差模电压的增益Auf为：

电压增益Auf1可以写成：

电压增益Auf2就为：

由式（15）和式（16）可得：

输出电压为：

检测电路最终实现了紫外光信号检测输出电压4.61V，表征0～100W的信号能量。

为了提高电路精度，电路中的电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、RG全部选用精密金属膜电阻，当电阻温度系数小于2ppm/Co时，Auf的精度可达到±0.01%的范围内。

（2）闭环差模输入阻抗Rtf

若A1、A2同相，则闭环中的差模激励电阻Rtf为：

式中，Rtd1、Rtd2和AOd1、AOd2分别为放大器A1和A2的差模输入阻抗和开环差模电压增益；F1和F2为电压反馈系数，如式（20）所示：

Rtd1、Rto2为放大器A1和A2的共模输入阻抗。

（3）输入失调和温漂

当UIO3=0时，可得UO为：

只要使UIO1和UIO2尽量小，即可得到超低失调和超低温漂特性的运算放大器，在一定温度下使UIO=（UIO1-UIO2）→0，并满足下式：

IIO=（IIO1-IIO2）→0，（IIO≤0.1nA） （23）

当Auf=1时，随着R2和IIO的增大，输入失调温漂也随之增大，因此需要使电阻R1、R2尽量小，并且RG的阻值不应过大以降低运算放大器的输入噪声。

（4）共模抑制特性

当UId=0时，且A1、A2、A3的各项参数均为理想值，可由式（24）计算得到电路的共模抑制比KCMR为：

可见，在精确匹配A1、A2、R1、R2的条件下，运放的 KCMR仅与第一级增益 Auf1和第二级的KCMR0有关而与KCMR1、KCMR2无关。

3　系统仿真与实验

为验证设计电路的有效性，本文设计了基于Multisim的紫外光检测系统仿真并搭建了实验平台，利用仿真和实验平台对紫外线激光器光检测系统进行了分析。图6和图7为基于Multisim的系统仿真电路和仿真结果。由仿真结果可见，电路仿真结果与理论计算相符，实现了将100W紫外光信号转换为4.61V输出电压的转换，达到了紫外光信号检测的目的。

图6　基于Multisim的系统仿真电路

图7　Multisim仿真结果

本文设计的紫外光信号检测系统实验平台如图8所示，实验平台中的紫外线光源选用镭仕公司的半导体激光器作为探测平台中所使用的光源，中心波长为260nm，光谱线宽小于3nm。接收端选择紫外光探测器GUVC-T10GD-L，同时配合中心波长在260nm的紫外光滤光片。

图8　实验系统平台

实验平台对无信号进行了滤波测试并对正弦波输入时的输出波形进行了测试，测试结果如图9和图10所示。

图9　无信号测试结果

图10　信号处理电路输出结果

六、结论

本文针对紫外光信号进行检测，设计了一种紫外光信号检测系统，通过对系统噪声来源的分析，提出了减少噪声的相关方法。对检测系统中的信号处理电路进行了详细分析与设计，系统具有精度高、稳定可靠的特点，可以广泛地应用于紫外光信号检测的相关领域。

［1］ 桂静宜.二阶有源低通滤波电路的设计与分析［J］.电子科技，2010，23（10）：15-21.

［2］ 王立刚，张殿元.低噪声光电检测电路的研究与设计［J］.电测与仪表，2011，44（500）：63-66.

［3］ 王立婷.光电检测电路的设计及实验研究［D］.长春：吉林大学，2010.

［4］ 胡丹，张冈，撒继铭.一种实用的光电检测电路设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2010，11（2）：20-24.

［5］ 何玲玲.微弱光电信号采集与处理系统的研究［D］.合肥：安徽大学，2011.

Design of UV Warning Optical Receiver

GONG Yulin1，LI Hongzuo1，WEN Dahua2
（1.School of Electronics and Information，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

With the continuous development of photovoltaic technology，photovoltaic technology in the field of civil and military applications，more and more light is not limited to the visible range of applications is constantly expanding towards both ends of the spectrum.Various infrared and ultraviolet devices have been widely used.Compared to the application of infrared，ultraviolet band applications started late，but rapid development，with its unique advantages，particularly in the military field attention.UV warning missile warning technology is in the application，and has broad prospects and significance.In this paper，the UV signal detection and signal processing technology in-depth analysis and research，design and UV light warning receiver，and receiver system noise is analyzed in detail.The simulation and experimental results show that this design UV warning light receiver with high precision，stable and reliable characteristics，the development of UV warning technology has a positive effect.

UV warning；optical receiver；photoelectric conversion

TP301

A

1672-9870（2015）06-0042-05

2015-11-02

宫玉琳（1983-），男，博士，讲师，E-mail：garrygong1983@126.com