一種醫用光電檢測前置放大電路設計

2021-01-08 電子產品世界

　　摘要：本文介紹了一種採用ADI公司的AD8034型FET輸入運算放大器搭建的高頻醫用光電檢測前置放大電路，重點介紹了光電傳感器的偏置保護、信號帶寬補償和I/V轉換電路設計方法，具有良好的噪聲性能，滿足醫用儀器光電信號檢測需要。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/233867.htm

　　引言

　　在用於臨床檢驗科室的醫用體外診斷設備中，大量應用光學信號的變化來分析血液、尿液和腦脊液等體液成分，因此光電檢測電路設計被廣泛應用於該類設備。醫用光電檢測電路根據光學信號變化情況可以分為兩大類，第一類是用於檢測近似靜止或者光學信號的緩慢變化，如應用比色法進行檢測的生化分析儀和血凝儀等的低頻光電檢測電路，第二類是用於檢測光學信號的快速變化，如用於血液細胞分析儀和流式細胞儀的高頻光電檢測電路。

　　本文介紹一種用於上文中第二類光學信號檢測的高頻光電檢測模擬電路設計，該前置放大電路作為一個獨立PCB板設計，封裝為用於光電轉換的前置放大器，整個系統的電氣性能主要由該模塊決定。本設計的檢測對象是波長為535nm附近的綠光信號，該信號是由快速經過光照區的細胞所引發的散射光信號，根據細胞經過光照區的速度，散射光信號變化頻率在1MHz~1.8MHz之間。

　　1 系統方案

　　由於散射光信號的光功率很低，為了減少信號轉換中引入的幹擾，同時適合醫用設備的光學應用場景，本設計採用了傳感器偏置模塊、帶寬補償模塊、I/V轉換模塊和信號調理輸出模塊的系統設計方案，如圖1所示實現完整的光學檢測前置放大電路設計。

　　前置放大電路包含光電轉換傳感器、帶寬補償電路、I/V轉換電路和信號調理電路，將光信號轉換為電壓脈衝信號輸出給後續儀器處理電路，該光電檢測電路封裝為用於光電轉換的前置放大器，本文重點介紹該電路的設計實現。

　　2 傳感器偏置設計

　　前置放大模塊的電路性能是本設計的關鍵，需精心進行設計和調試。根據系統光信號特點，選用日本濱松公司的S1223型光電二極體作為光電轉換傳感器。S1223的有效接收面積為2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置電壓的條件下，可以提供25MHz的信號頻率響應，在400~1000nm波長範圍內具有良好的光電轉換性能，能夠滿足光信號轉換的要求。

　　如圖3光電二極體S1223使用VB=-12V偏置，為了防止電流過大損壞光電二極體，反偏電路中加入了20kΩ的限流電阻，此時的反偏電壓不小於10V，由圖2可知S1223中存在約50pA暗電流，通過I/V轉換之後產生的電壓在uV級水平，對電路性能沒有影響。

　　3 帶寬補償設計

　　由於引入限流電阻將導致電路在高頻信號下，光電流大部分以電荷形式儲存在光電二極體的結電容中，流出的電流很小，簡單說就是造成信號帶寬下降，具體如下式所示：

　　其中R是限流電阻，Cs是光電二極體結電容，If為流過I/V級反饋支路的有效電流，Is是光電二極體產生的光電流。因此由圖2可知在電路反向偏置約10V情況下，S1223的結電容為Cs=20pF，對於20kΩ的限流電阻，那麼-3dB信號帶寬f0隻有400kHz。為此需要對帶寬進行補償設計，反偏及補償電路設計如下。

　　帶寬補償電路的設計思路是降低高頻時限流電阻的等效阻抗。如圖4，對於電容C1，其右端為運放「虛地」，交流時等同和限流電阻並聯，所以

　　其中C1=0.1μF。當C1>>Cs時(一般10倍以上)，就可以保證光電流基本無損的經過後續I/V轉換電路，實現帶寬補償。

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