应用新型双T选频网络的OFCS光检测放大器

    摘要：介绍了一种新型用于OFSC（光纤电流传感器）的PIN光检测放大器的设计，并提出了一种新型的双T型选频网络电路，对放大器各级的设计原理进行了详细的理论分析。理论与实践都证明这种新型光检测放大器信噪比较高，能对微弱的PIN光信号进行有效的检测和放大。

    关键词：光纤电流传感器 PIN探测器 双T型选频网络

光纤电流传感器（Fiber Optical Current Sensor）以其高绝缘性、抗高电磁噪声、高线性度响应等诸多优点，在高电压强电流的测量领域中得到广泛的重视和研究。

目前研究的光纤电流传感器普遍应用各种物理效应，如Faraday磁光效应或磁致伸缩效应，使光通过传感元件感应后，经光检测放大器进行信号转换放大处理，以使进行传感信号分析。

光检测放大器在整个OFCS系统中完成光/电信号变换，将被调制到光载波上的外界变化量形成电信号输出（图1所示）。所续的处理精度多半依赖于检测放大器输出的电信号的精度，因而光检测放大器的电路设计显得尤为重要。对于光纤电流传感器来说，需要检测50Hz的频率信号，在普通的放大电路中，50Hz却常作为工频噪声干扰信号混入，因而加大了OFCS的光电检测难度。本文将介绍一种新型的PIN光探测器（光敏二极管）的光电检测放大器设计方法。依照弱信号检测理论，在电路设计时采取多项措施力图提高信噪比。为了获得良好的带通滤波效果，本文还提出了一种新的双T型选频网络电路的设计方法。从实测的结果来看，这种PIN光检测放大器的设计取得了较为满意的效果。

1 光电检测原理

光电检测电路的转换模式为：光→电流→电压。

在检测电路中主要由光电探测器来完成光→电流的转换。目前使用的光电探测器多为PIN探测器。PIN探测器在低偏压下漏电流低，约在10 1～10A数量级，响应速率快，约10 -7S，响应频率为10GHz左右。但PIN管的输出电流较小，为微安级，灵敏度较差。光检测放大器须将PIN接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运算放大器变换成电压信号。

在图2中PIN相当于电流源，设光生电流为Ip,理想运放的输入阻抗为无穷大，反馈电阻为Rf，根据运放分析规则，若运放的开环增益为Auo，则可计算运放的等效输入阻抗为：

    Rin=[Rf/(1+Auo)]‖Rid≈Rf/(1+Auo)

    其中Rid是运算放大器的开环输入阻抗，对FET运放输入的情形，Rid可视为无究大；Auo是开环放大倍数，一般Auo数值极大；将这些值代入上式可知Rin的值很小，接近于零。进一步可计算运放输出，为：

V0=-Ip×Rf

由此完成了光→电流→电压的变换。

2 放大器电路设计

根据实际光纤电流传感器的需要，制定了光探测放大器的主要技术指标：

    增益>4000倍；改进方式双T型选频网络：中心频率50Hz（检测工频电流）；输入频率带宽>100kHz；输出噪声<10mV。设计放大器共分3级：前两级为信号放大组，后级为改进的T型选频网络带通滤波级。

根据多级放大器噪声分析理论，其噪声系数定义为：

其中Fi为第i级噪声系数，Kpi为第i级增益。

可见提高第一级的增益可以有效地抑制噪声。因此第一级增益定为100，第二级定为10，T型选频网络增益为4。在带通滤波电路的选择上，由于有用信号的频率为50Hz，因此必须选择相对相移小、高Q值的带通滤波器进行带通滤波。在放大器电路的各个部分还存在许多器件的固有噪声，供电电源处理不当也会引入较大的噪声，因此，电路设计时必须考虑到从各方面抑制噪声的问题。

3 具体设计及超前补偿网络的应用

为了在噪声干扰比较严重的情况下仍能获得比较好的带宽增益和高信噪比，两级运放全部采用斩波稳零超低漂移运放ICL7650SC。ILC7650SC为intersil公司出品的14脚单运放集成块，常温下开环增益可达150dB；共模抑制比高达140d B；输入偏置电流低于10pA；带宽2MHz；对温度和长期工作的漂移电流为漂安级。

电路电阻均选择经过筛选的金属膜电阻，条件允许的情况下，可选用线绕电阻。电容选用高频性能好的磁片电容，极性电容选择钽电容。

第一级使用ICL7650SC反相放大，完成光电流→电压的变换，第二级使用ICL7650SC正相输入放大，总倍数为100×10。由于放大器2级之中产生附加相移，如果因反馈过深引起的附加相移超过180°就会引起运放自激。为了防止自激，可以引入超前补偿网络（如图3），具体做法是与运放反馈电阻R7、R5分别并联电容C2、C3，从而改善了系统响应函数的零极点位置，达到稳定系统的目的。

改进后的两级相频曲线如图4所示（虚线为改进前的，实线为改进后的）。从图中可以看出，加入超前网络后显然能够有效地改善系统幅频和相频响应，拓展带宽，增加系统稳定性。

4 新型T型选频网络电路

从前两级运放出来的信号仍然混入了大量被前两级运放放大了的噪声信号，因此，必须增加一级带通滤波电路进行滤波信号提纯。然而，对于噪声较大信号的带通滤波，一般使用的带通滤波器效果都不是很好。经过对各个带通滤波电路的反复测试比较，选用相对相移极小，带通滤波效果比较明显的双T型选频网络。

传统的双T型网络（图5中无运放A2时）参数如下：

其中：R1=R2=2R3=R

C1=C2=C3/2=C

fo=1/(2πRC)

Q=（1+A1）/4

Ho=A1

    然而在双T型选频网络的使用当中，由于其Q值不高，低于1，电路带通效果不理想。为了提高带通效果，通常必须采用增大闭环增益A1的方法来提高，但这种线路结构的Q值选取也受到一定的限制，当选取较高的闭环增益时，会引入附加相移，对相对相位变化影响较大，为保证精度，同时还要求相应提高运放开环增益。本文则提出了一种表的T型选频网络设计方法，使提高Q值的同时不影响其他参数变化，带通宽度更窄，带通效果更为显著。具体做法是：在反馈网络中再接一个同相输比例运放作为双T网络的负载，此时Q值可再提高A2倍，电路如图5。

其相应参数如下：

fo=1/(2πRC)

Q=（1+A1·A2）/4

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

式中：A1=（R7）/（R8） A2=1+[(R4)/(R5)]

可见新型T型选频网络的带通范围比传统的T型网络更窄，Q值更高，选频特性更好。改进前后的频响曲线如图6所示。

5 其他电路处理

在实验中，由于电磁波干扰较多，还应从电路的其他方面抑制噪声的产生和放大。具体做法如下：

（1）正负电源加退耦电容，在满足响应时间的情况下尽可能大些，一般为4.7μF的锝电容电容并联一个0.01μF的瓷片电容效果较好；

（2）电路板要尽可能地小，采用低温焊锡，输入线采用钳夹方式或紫铜-紫筒连接。电路板制好可以长时间通电进行快速老化，增进稳定性；

（3）输入端最好采用保护环方式，具体方法参见文献[4]。输入输出线要尽可能地短，最好制成一块小板置于屏蔽盒内。屏蔽盒更接地良好。

6 测试结果和结论

在光纤电流传感器实验的后续信号处理中，利用CH1、CH2两个通道同时进行观测，当增益为4000倍时得到的CH1/CH2波形分别如图7上下子图形所示。噪声其本被有效抑制，放大器输出比较稳定的50Hz正弦波形，带通效果显著，能够为后级的数据采集卡提供满意的电压信号。如果将第二级的反馈电阻改成可调电阻，该放大器便能够调节放大倍数，并且，去除双T型选频网络之后，该放大器也可用于其他微弱光电信号检测场合，使用会更加灵活。值得注意的是：一旦将增益设计10000倍以上，自激现象较难克服，因此，还应利用其他的补偿方案来改善频响特性，从PCB板的设计布局方面也应优化，使设计后噪声减至最小。