摘? 要： 介紹了一種新型用于OFCS(光纖電流傳感器)的PIN光檢測放大器的設(shè)計(jì)，并提出了一種新型的雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)電路，對放大器各級的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。理論與實(shí)踐都證明這種新型光檢測放大器信噪比較高，能對微弱的PIN光信號進(jìn)行有效的檢測和放大。
關(guān)鍵詞： 光纖電流傳感器? PIN探測器? 雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)?
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光纖電流傳感器(Fiber Optical Current Sensor)以其高絕緣性、抗高電磁噪聲、高線性度響應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在高電壓強(qiáng)電流的測量領(lǐng)域中得到廣泛的重視和研究。
目前研究的光纖電流傳感器普遍應(yīng)用各種物理效應(yīng)，如Faraday磁光效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)，使光通過傳感元件感應(yīng)后，經(jīng)光檢測放大器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換放大處理，以便進(jìn)行傳感信號分析。
光檢測放大器在整個OFCS系統(tǒng)中完成光/電信號變換，將被調(diào)制到光載波上的外界變化量形成電信號輸出(圖1所示)。后續(xù)的處理精度多半依賴于檢測放大器輸出的電信號的精度，因而光檢測放大器的電路設(shè)計(jì)顯得尤為重要。對于光纖電流傳感器來說，需要檢測50Hz的頻率信號，在普通的放大電路中，50Hz卻常作為工頻噪聲干擾信號混入，因而加大了OFCS的光電檢測難度。本文將介紹一種新型的PIN光探測器(光敏二極管)的光電檢測放大器設(shè)計(jì)方法。依照弱信號檢測理論，在電路設(shè)計(jì)時采取多項(xiàng)措施力圖提高信噪比。為了獲得良好的帶通濾波效果，本文還提出了一種新的雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計(jì)方法。從實(shí)測的結(jié)果來看，這種PIN光檢測放大器的設(shè)計(jì)取得了較為滿意的效果。
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1 光電檢測原理
光電檢測電路的轉(zhuǎn)換模式為:光→電流→電壓。
在檢測電路中主要由光電探測器來完成光→電流的轉(zhuǎn)換。目前使用的光電探測器多為PIN探測器。PIN探測器在低偏壓下漏電流低，約在101～10A數(shù)量級，響應(yīng)速度快，約10-7s，響應(yīng)頻寬為10GHz左右。但PIN管的輸出電流較小，為微安級，靈敏度較差。光檢測放大器須將PIN接收的光信號變成與之成比例的微弱電流信號，再通過運(yùn)算放大器變換成電壓信號。
在圖2中PIN相當(dāng)于電流源，設(shè)光生電流為Ip，理想運(yùn)放的輸入阻抗為無窮大，反饋電阻為Rf，根據(jù)運(yùn)放分析規(guī)則，若運(yùn)放的開環(huán)增益為Auo，則可計(jì)算運(yùn)放的等效輸入阻抗為:
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其中Rid是運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗 ，對FET運(yùn)放輸入的情形，Rid可視為無窮大;Auo是開環(huán)放大倍數(shù)，一般Auo數(shù)值極大;將這些值代入上式可知Rin的值很小，接近于零。進(jìn)一步可計(jì)算運(yùn)放輸出，為:
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由此完成了光→電流→電壓的變換。
2 放大器電路設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際光纖電流傳感器的需要，制定了光探測放大器的主要技術(shù)指標(biāo):
??? 增益>4000倍;改進(jìn)方式雙T型選頻網(wǎng)絡(luò):中心頻率50Hz(檢測工頻電流);輸入頻率帶寬>100kHz;輸出噪聲<10mV。設(shè)計(jì)放大器共分3級:前兩級為信號放大級，后級為改進(jìn)的T型選頻網(wǎng)絡(luò)帶通濾波級。
??? 根據(jù)多級放大器噪聲分析理論，其噪聲系數(shù)定義為:
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其中Fi為第i級噪聲系數(shù)，Kpi為第i級增益。
可見提高第一級的增益可以有效地抑制噪聲。因此第一級增益定為100，第二級定為10，T型選頻網(wǎng)絡(luò)增益為4。在帶通濾波電路的選擇上，由于有用信號的頻率為50Hz，因此必須選擇相對相移小、高Q值的帶通濾波器進(jìn)行帶通濾波。在放大器電路的各個部分還存在許多器件的固有噪聲，供電電源處理不當(dāng)也會引入較大的噪聲，因此，電路設(shè)計(jì)時必須考慮到從各方面抑制噪聲的問題。
3 具體設(shè)計(jì)及超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
為了在噪聲干擾比較嚴(yán)重的情況下仍能獲得比較好的帶寬增益和高信噪比，兩級運(yùn)放全部采用斬波穩(wěn)零超低漂移運(yùn)放ICL7650SC。ICL7650SC為intersil公司出品的14腳單運(yùn)放集成塊，常溫下開環(huán)增益可達(dá)150dB;共模抑制比高達(dá)140dB;輸入偏置電流低于10pA;帶寬2MHz;對溫度和長期工作的漂移電流為微安級。
電路電阻均選擇經(jīng)過篩選的金屬膜電阻，條件允許的情況下， 可選用線繞電阻。電容選用高頻性能好的磁片電容， 極性電容選擇鉭電容。
第一級使用ICL7650SC反相放大，完成光電流→電壓的變換，第二級使用ICL7650SC正相輸入放大，總倍數(shù)為100×10。由于放大器2級之中產(chǎn)生附加相移，如果因反饋過深引起的附加相移超過180°就會引起運(yùn)放自激。為了防止自激，可以引入超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(如圖3)，具體做法是與運(yùn)放反饋電阻R7、R5分別并聯(lián)電容C2、C3，從而改善了系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)的零極點(diǎn)位置，達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)的目的。
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改進(jìn)后的兩級相頻曲線如圖4所示(虛線為改進(jìn)前的，實(shí)線為改進(jìn)后的)。從圖中可以看出，加入超前網(wǎng)絡(luò)后顯然能夠有效地改善系統(tǒng)幅頻和相頻響應(yīng)，拓展帶寬，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。
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4 新型T型選頻網(wǎng)絡(luò)電路
從前兩級運(yùn)放出來的信號仍然混入了大量被前兩級運(yùn)放放大了的噪聲信號，因此，必須增加一級帶通濾波電路進(jìn)行濾波信號提純。然而，對于噪聲較大信號的帶通濾波，一般使用的帶通濾波器效果都不是很好。經(jīng)過對各個帶通濾波電路的反復(fù)測試比較，選用相對相移極小，帶通濾波效果比較明顯的雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)。
傳統(tǒng)的雙T型網(wǎng)絡(luò)(圖5中無運(yùn)放A2時)參數(shù)如下:
其中: R1=R2=2R3=R?
然而在雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)的使用當(dāng)中，由于其Q值不高，低于1，電路帶通效果不理想。為了提高帶通效果，通常必須采用增大閉環(huán)增益A1的方法來提高，但這種線路結(jié)構(gòu)的Q值選取也受到一定的限制，當(dāng)選取較高的閉環(huán)增益時，會引入附加相移，對相對相位變化影響較大，為保證精度，同時還要求相應(yīng)提高運(yùn)放開環(huán)增益。本文則提出了一種新的T型選頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，使提高Q值的同時不影響其他參數(shù)變化，帶通寬度更窄，帶通效果更為顯著。具體做法是:在反饋網(wǎng)絡(luò)中再接一個同相輸比例運(yùn)放作為雙T網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，此時Q值可再提高A2倍，電路如圖5。
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其相應(yīng)參數(shù)如下:
可見新型T型選頻網(wǎng)絡(luò)的帶通范圍比傳統(tǒng)的T型網(wǎng)絡(luò)更窄，Q值更高，選頻特性更好。改進(jìn)前后的頻響曲線如圖6所示。
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5 其他電路處理
在實(shí)驗(yàn)中，由于電磁波干擾較多，還應(yīng)從電路的其他方面抑制噪聲的產(chǎn)生和放大。具體做法如下:
(1)正負(fù)電源加退耦電容，在滿足響應(yīng)時間的情況下盡可能大些，一般為4.7μF的鉭電容并聯(lián)一個0.01μF的瓷片電容效果較好；
(2)電路板要盡可能地小，采用低溫焊錫，輸入線采用鉗夾方式或紫銅-紫筒連接。電路板制好可以長時間通電進(jìn)行快速老化，增進(jìn)穩(wěn)定性；
(3)輸入端最好采用保護(hù)環(huán)方式 ，具體方法參見文獻(xiàn)[4]。輸入輸出線要盡可能地短 ，最好制成一塊小板置于屏蔽盒內(nèi)。屏蔽盒要接地良好。
6 測試結(jié)果和結(jié)論
在光纖電流傳感器實(shí)驗(yàn)的后續(xù)信號處理中，利用CH1、CH2兩個通道同時進(jìn)行觀測，當(dāng)增益為4000倍時得到的CH1/CH2波形分別如圖7上下子圖形所示。噪聲基本被有效抑制，放大器輸出比較穩(wěn)定的50Hz正弦波形，帶通效果顯著，能夠?yàn)楹蠹壍臄?shù)據(jù)采集卡提供滿意的電壓信號。如果將第二級的反饋電阻改成可調(diào)電阻，該放大器便能夠調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，并且，去除雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)之后，該放大器也可用于其他微弱光電信號檢測場合，使用會更加靈活。值得注意的是:一旦將增益設(shè)計(jì)10000倍以上，自激現(xiàn)象較難克服，因此，還應(yīng)利用其他的補(bǔ)償方案來改善頻響特性，從PCB板的設(shè)計(jì)布局方面也應(yīng)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)后噪聲減至最小。
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參考文獻(xiàn)
1 C.Kitchin and L. Counts，Instrumentation Amplifier Application Guide， [B].Analog Devices， Incorporated， Norwood，MA，1991:10～15
2 Cypress Semiconductor Corporation，Using Decoupling Capacitors，[B].Cypress Semiconductor Corporation，San
? Jose，CA， 1999:1～4
3 劉衛(wèi)東，劉延冰，劉建國. 檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設(shè)計(jì)，[J].電測與儀表，1999;(4):28～31
4 高稚允，高岳. 光電檢測技術(shù)，[B].北京:國防工業(yè)出版社，1995；(6):172～188