一种医用光电检测前置放大电路设计

　　4 I/V转换设计

　　光电二极管输出的电流信号难以被电路直接放大，一般都是先经过I/V转换电路转变为电压信号。本设计I/V转换电路采用成熟的跨阻放大器来实现，基本电路模型如图 5所示。

　　通常I/V转换电路使用FET型输入的运算放大器实现，应选择偏置电流小，输入电容低和失调电压温漂系数低的高开环增益运放，此外需着重关注电流噪声、电压噪声、输入电容、增益带宽积等参数。在本设计中，I/V转换部分信号带宽最小取3MHz，运放的增益带宽积选择由反馈电阻Rf、总输入电容Ci和信号带宽共同决定。总输入电容Ci为二极管电容与运放输入电容之和。

　　通常运放的输入电容为几个pF，S1223在反向偏置时的结电容为20pF，估算走线电容为2pF，运放的输入电容取8pF，因此取Ci=30pF计算。图5中的电路在45°相位裕度的时候有下面的公式关系，其中f2表示带宽高限频率，此处即3MHz，ft表示运放的最小单位增益带宽。

　　根据系统光信号在光电二极管S1223上的电流范围、板卡输出电压信号峰峰值确定I/V变换电路的反馈电阻取R2 =6.2kΩ，根据上面公式得I/V变换的运放增益带宽积必须大于10.5MHz。综合上述考虑，本设计采用ADI公司的AD8034实现，其增益带宽积为80MHz。

　　另外在I/V变换电路中，为了使电路稳定，需要在反馈电阻上并联一个电容，以减少电路的不稳定性，即图5中的Cf。根据下面信号带宽计算公式

　　由f2 =3MHz，Rf = 6.2kΩ，反馈电容的最大值Cf =8.5pF。

　　Cf的最小值由下面公式给出：

　　该值将给出约45º的相位容限。对于AD8034，增益带宽积为f u = 80MHz，计算得反馈电容的最小值为3.1 pF。因此I/V级反馈电容Cf的范围是3.1 pF ~8.5pF，综合考虑到PCB(印制电路板)走线等电容和物料选择，取I/V反馈电容为5pF，该级电路信号带宽为5.1MHz，最终的电路设计如图6。

　　5 信号调理输出设计

　　光电流信号经过I/V转换后，可获得较大的电压幅度，后级可根据前置放大电路增益需求安排单级或多级放大，本设计采用单级实现10A放大，同时引入5pF的反馈补偿电容，本级电路信号带宽3.18MHz。对散射光前放电路而言，噪声主要由第一级决定，因此对后级放大器的要求不高，出于简化物料需要，同样选择ADI公司的AD8034。放大环节后采用2阶巴特沃兹低通滤波来消除信号带宽以外的噪声，截止频率约为2.56MHz，通带增益为1。根据放大倍数、带宽和增益带宽积间的简单关系，同样选择ADI公司的AD8034。同时，为了去除低频信号的干扰，电路中引入一级由RC电路组成的高通电路，截止频率根据R2、C2值可简单计算得到高通截止频率为16Hz。