摘? 要： 介紹了一種新型用于OFCS(光纖電流傳感器)的PIN光檢測(cè)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(duì)放大器各級(jí)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(cè)放大器信噪比較高,，能對(duì)微弱的PIN光信號(hào)進(jìn)行有效的檢測(cè)和放大,。
關(guān)鍵詞： 光纖電流傳感器? PIN探測(cè)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(cè)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(cè)放大器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換放大處理,，以便進(jìn)行傳感信號(hào)分析,。
光檢測(cè)放大器在整個(gè)OFCS系統(tǒng)中完成光/電信號(hào)變換，將被調(diào)制到光載波上的外界變化量形成電信號(hào)輸出(圖1所示),。后續(xù)的處理精度多半依賴于檢測(cè)放大器輸出的電信號(hào)的精度,，因而光檢測(cè)放大器的電路設(shè)計(jì)顯得尤為重要。對(duì)于光纖電流傳感器來(lái)說,，需要檢測(cè)50Hz的頻率信號(hào),，在普通的放大電路中，50Hz卻常作為工頻噪聲干擾信號(hào)混入,，因而加大了OFCS的光電檢測(cè)難度,。本文將介紹一種新型的PIN光探測(cè)器(光敏二極管)的光電檢測(cè)放大器設(shè)計(jì)方法,。依照弱信號(hào)檢測(cè)理論，在電路設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)的結(jié)果來(lái)看,，這種PIN光檢測(cè)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(cè)原理
光電檢測(cè)電路的轉(zhuǎn)換模式為:光→電流→電壓。
在檢測(cè)電路中主要由光電探測(cè)器來(lái)完成光→電流的轉(zhuǎn)換,。目前使用的光電探測(cè)器多為PIN探測(cè)器,。PIN探測(cè)器在低偏壓下漏電流低，約在101～10A數(shù)量級(jí),，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(jí)，靈敏度較差,。光檢測(cè)放大器須將PIN接收的光信號(hào)變成與之成比例的微弱電流信號(hào),，再通過運(yùn)算放大器變換成電壓信號(hào)。
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(wú)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(duì)FET運(yùn)放輸入的情形，Rid可視為無(wú)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(cè)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(cè)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(jí):前兩級(jí)為信號(hào)放大級(jí),，后級(jí)為改進(jìn)的T型選頻網(wǎng)絡(luò)帶通濾波級(jí)。
??? 根據(jù)多級(jí)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(jí)噪聲系數(shù),，Kpi為第i級(jí)增益,。
可見提高第一級(jí)的增益可以有效地抑制噪聲。因此第一級(jí)增益定為100,，第二級(jí)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(hào)的頻率為50Hz,，因此必須選擇相對(duì)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(gè)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(huì)引入較大的噪聲，因此,，電路設(shè)計(jì)時(shí)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(jí)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(duì)溫度和長(zhǎng)期工作的漂移電流為微安級(jí)。
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(jí)使用ICL7650SC反相放大，完成光電流→電壓的變換,，第二級(jí)使用ICL7650SC正相輸入放大,，總倍數(shù)為100×10。由于放大器2級(jí)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(huì)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(jí)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(jí)運(yùn)放出來(lái)的信號(hào)仍然混入了大量被前兩級(jí)運(yùn)放放大了的噪聲信號(hào)，因此,，必須增加一級(jí)帶通濾波電路進(jìn)行濾波信號(hào)提純,。然而，對(duì)于噪聲較大信號(hào)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(duì)各個(gè)帶通濾波電路的反復(fù)測(cè)試比較，選用相對(duì)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(wú)運(yùn)放A2時(shí))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(lái)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(shí),，會(huì)引入附加相移,，對(duì)相對(duì)相位變化影響較大，為保證精度,，同時(shí)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(shí)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(gè)同相輸比例運(yùn)放作為雙T網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載,，此時(shí)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(shí)間的情況下盡可能大些,，一般為4.7μF的鉭電容并聯(lián)一個(gè)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(zhǎng)時(shí)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(cè)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(hào)處理中，利用CH1,、CH2兩個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行觀測(cè),，當(dāng)增益為4000倍時(shí)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?jí)的數(shù)據(jù)采集卡提供滿意的電壓信號(hào),。如果將第二級(jí)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(hào)檢測(cè)場(chǎng)合，使用會(huì)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(lái)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)
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3 劉衛(wèi)東，劉延冰,，劉建國(guó). 檢測(cè)微弱光信號(hào)的PIN光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì),，[J].電測(cè)與儀表，1999;(4):28～31
4 高稚允,，高岳. 光電檢測(cè)技術(shù),，[B].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995,；(6):172～188