摘要：介紹了一種新型用于OFSC（光纖電流傳感器）的PIN光檢測放大器的設計,并提出了一種新型的雙T型選頻網絡電路,對放大器各級的設計原理進行了詳細的理論分析。理論與實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光信號進行有效的檢測和放大。

    關鍵詞：光纖電流傳感器 PIN探測器 雙T型選頻網絡

光纖電流傳感器（Fiber Optical Current Sensor）以其高絕緣性、抗高電磁噪聲、高線性度響應等諸多優(yōu)點,在高電壓強電流的測量領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用各種物理效應,如Faraday磁光效應或磁致伸縮效應,使光通過傳感元件感應后,經光檢測放大器進行信號轉換放大處理,以使進行傳感信號分析。

光檢測放大器在整個OFCS系統中完成光/電信號變換,將被調制到光載波上的外界變化量形成電信號輸出（圖1所示）。所續(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計顯得尤為重要。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計方法。依照弱信號檢測理論,在電路設計時采取多項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型選頻網絡電路的設計方法。從實測的結果來看,這種PIN光檢測放大器的設計取得了較為滿意的效果。

1 光電檢測原理

光電檢測電路的轉換模式為：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10 1～10A數量級,響應速率快,約10 -7S,響應頻率為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,再通過運算放大器變換成電壓信號。

在圖2中PIN相當于電流源,設光生電流為Ip,理想運放的輸入阻抗為無窮大,反饋電阻為Rf,根據運放分析規(guī)則,若運放的開環(huán)增益為Auo,則可計算運放的等效輸入阻抗為：

    Rin=[Rf/(1+Auo)]‖Rid≈Rf/(1+Auo)

    其中Rid是運算放大器的開環(huán)輸入阻抗,對FET運放輸入的情形,Rid可視為無究大;Auo是開環(huán)放大倍數,一般Auo數值極大;將這些值代入上式可知Rin的值很小,接近于零。進一步可計算運放輸出,為：

V0=-Ip×Rf

由此完成了光→電流→電壓的變換。

2 放大器電路設計

根據實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指標：

    增益>4000倍;改進方式雙T型選頻網絡：中心頻率50Hz（檢測工頻電流）;輸入頻率帶寬>100kHz;輸出噪聲<10mV。設計放大器共分3級：前兩級為信號放大組,后級為改進的T型選頻網絡帶通濾波級。

根據多級放大器噪聲分析理論,其噪聲系數定義為：

其中Fi為第i級噪聲系數,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型選頻網絡增益為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,供電電源處理不當也會引入較大的噪聲,因此,電路設計時必須考慮到從各方面抑制噪聲的問題。

3 具體設計及超前補償網絡的應用

為了在噪聲干擾比較嚴重的情況下仍能獲得比較好的帶寬增益和高信噪比,兩級運放全部采用斬波穩(wěn)零超低漂移運放ICL7650SC。ILC7650SC為intersil公司出品的14腳單運放集成塊,常溫下開環(huán)增益可達150dB;共模抑制比高達140d B;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漂安級。

電路電阻均選擇經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,總倍數為100×10。由于放大器2級之中產生附加相移,如果因反饋過深引起的附加相移超過180°就會引起運放自激。為了防止自激,可以引入超前補償網絡（如圖3）,具體做法是與運放反饋電阻R7、R5分別并聯電容C2、C3,從而改善了系統響應函數的零極點位置,達到穩(wěn)定系統的目的。

改進后的兩級相頻曲線如圖4所示（虛線為改進前的,實線為改進后的）。從圖中可以看出,加入超前網絡后顯然能夠有效地改善系統幅頻和相頻響應,拓展帶寬,增加系統穩(wěn)定性。

4 新型T型選頻網絡電路

從前兩級運放出來的信號仍然混入了大量被前兩級運放放大了的噪聲信號,因此,必須增加一級帶通濾波電路進行濾波信號提純。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。經過對各個帶通濾波電路的反復測試比較,選用相對相移極小,帶通濾波效果比較明顯的雙T型選頻網絡。

傳統的雙T型網絡（圖5中無運放A2時）參數如下：

其中：R1=R2=2R3=R

C1=C2=C3/2=C

fo=1/(2πRC)

Q=（1+A1）/4

Ho=A1

    然而在雙T型選頻網絡的使用當中,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,但這種線路結構的Q值選取也受到一定的限制,當選取較高的閉環(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,同時還要求相應提高運放開環(huán)增益。本文則提出了一種表的T型選頻網絡設計方法,使提高Q值的同時不影響其他參數變化,帶通寬度更窄,帶通效果更為顯著。具體做法是：在反饋網絡中再接一個同相輸比例運放作為雙T網絡的負載,此時Q值可再提高A2倍,電路如圖5。

其相應參數如下：

fo=1/(2πRC)

Q=（1+A1·A2）/4

Ho=-[(R7)/(R8)]

式中：A1=（R7）/（R8） A2=1+[(R4)/(R5)]

可見新型T型選頻網絡的帶通范圍比傳統的T型網絡更窄,Q值更高,選頻特性更好。改進前后的頻響曲線如圖6所示。

5 其他電路處理

在實驗中,由于電磁波干擾較多,還應從電路的其他方面抑制噪聲的產生和放大。具體做法如下：

（1）正負電源加退耦電容,在滿足響應時間的情況下盡可能大些,一般為4.7μF的锝電容電容并聯一個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行快速老化,增進穩(wěn)定性;

（3）輸入端最好采用保護環(huán)方式,具體方法參見文獻[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。屏蔽盒更接地良好。

6 測試結果和結論

在光纖電流傳感器實驗的后續(xù)信號處理中,利用CH1、CH2兩個通道同時進行觀測,當增益為4000倍時得到的CH1/CH2波形分別如圖7上下子圖形所示。噪聲其本被有效抑制,放大器輸出比較穩(wěn)定的50Hz正弦波形,帶通效果顯著,能夠為后級的數據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電阻,該放大器便能夠調節(jié)放大倍數,并且,去除雙T型選頻網絡之后,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：一旦將增益設計10000倍以上,自激現象較難克服,因此,還應利用其他的補償方案來改善頻響特性,從PCB板的設計布局方面也應優(yōu)化,使設計后噪聲減至最小。