一种医用光电检测前置放大电路设计

　　摘要：本文介绍了一种采用ADI公司的AD8034型FET输入运算放大器搭建的高频医用光电检测前置放大电路，重点介绍了光电传感器的偏置保护、信号带宽补偿和I/V转换电路设计方法，具有良好的噪声性能，满足医用仪器光电信号检测需要。

　　引言

　　在用于临床检验科室的医用体外诊断设备中，大量应用光学信号的变化来分析血液、尿液和脑脊液等体液成分，因此光电检测电路设计被广泛应用于该类设备。医用光电检测电路根据光学信号变化情况可以分为两大类，第一类是用于检测近似静止或者光学信号的缓慢变化，如应用比色法进行检测的生化分析仪和血凝仪等的低频光电检测电路，第二类是用于检测光学信号的快速变化，如用于血液细胞分析仪和流式细胞仪的高频光电检测电路。

　　本文介绍一种用于上文中第二类光学信号检测的高频光电检测模拟电路设计，该前置放大电路作为一个独立PCB板设计，封装为用于光电转换的前置放大器，整个系统的电气性能主要由该模块决定。本设计的检测对象是波长为535nm附近的绿光信号，该信号是由快速经过光照区的细胞所引发的散射光信号，根据细胞经过光照区的速度，散射光信号变化频率在1MHz~1.8MHz之间。

　　1 系统方案

　　由于散射光信号的光功率很低，为了减少信号转换中引入的干扰，同时适合医用设备的光学应用场景，本设计采用了传感器偏置模块、带宽补偿模块、I/V转换模块和信号调理输出模块的系统设计方案，如图1所示实现完整的光学检测前置放大电路设计。

　　前置放大电路包含光电转换传感器、带宽补偿电路、I/V转换电路和信号调理电路，将光信号转换为电压脉冲信号输出给后续仪器处理电路，该光电检测电路封装为用于光电转换的前置放大器，本文重点介绍该电路的设计实现。

　　2 传感器偏置设计

　　前置放大模块的电路性能是本设计的关键，需精心进行设计和调试。根据系统光信号特点，选用日本滨松公司的S1223型光电二极管作为光电转换传感器。S1223的有效接收面积为2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置电压的条件下，可以提供25MHz的信号频率响应，在400~1000nm波长范围内具有良好的光电转换性能，能够满足光信号转换的要求。

　　如图3光电二极管S1223使用VB=-12V偏置，为了防止电流过大损坏光电二极管，反偏电路中加入了20kΩ的限流电阻，此时的反偏电压不小于10V，由图2可知S1223中存在约50pA暗电流，通过I/V转换之后产生的电压在uV级水平，对电路性能没有影响。

　　3 带宽补偿设计

　　由于引入限流电阻将导致电路在高频信号下，光电流大部分以电荷形式储存在光电二极管的结电容中，流出的电流很小，简单说就是造成信号带宽下降，具体如下式所示：

　　其中R是限流电阻，Cs是光电二极管结电容，If为流过I/V级反馈支路的有效电流，Is是光电二极管产生的光电流。因此由图2可知在电路反向偏置约10V情况下，S1223的结电容为Cs=20pF，对于20kΩ的限流电阻，那么-3dB信号带宽f0只有400kHz。为此需要对带宽进行补偿设计，反偏及补偿电路设计如下。

　　带宽补偿电路的设计思路是降低高频时限流电阻的等效阻抗。如图4，对于电容C1，其右端为运放“虚地”，交流时等同和限流电阻并联，所以

　　其中C1=0.1μF。当C1>>Cs时(一般10倍以上)，就可以保证光电流基本无损的经过后续I/V转换电路，实现带宽补偿。

　　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。

　　6 信号带宽分析

　　分析各级电路模块的信号带宽，可以计算得到整个电路的信号带宽：

　　1)光电二极管S1223的带宽：25MHz；

　　2) I/V转换级的带宽：为1阶低通模型，可知低通截止频率为5.1MHz；

　　3)1阶高通模型的带宽：为1阶高通模型，可知高通截止频率为16Hz；

　　4)固定增益环节的带宽：为1阶低通模型，可知低通截止频率为3.18MHz；

　　5)2阶巴特沃兹低通滤波器的带宽：低通截止频率为2.56MHz。

　　综上，根据多级放大电路频响的上限截止频率计算公式

　　计算可得，整个光电检测前置放大电路的信号通带范围为(16 Hz~2.07M Hz)，带宽约为fH=2.07M Hz，满足光学信号的设计需求。

　　7 噪声分析

　　根据多级放大电路的原理，本文介绍的光电检测前置放大电路的噪声主要决定于I/V转换电路引入的噪声。对用于高速光电信号转换的I/V转换电路，该级噪声主要为运放的电压噪声和Rf的电阻热噪声。由于整个电路的的信号带宽为fH=2.07MHz，取等效噪声带宽变换因子为1.57，同时后级放大级增益为G=10，则结合图5所示的I/V转换等效电路模型，整个电路的噪声计算如下：

　　结语

　　本文介绍的医用光电检测前置放大电路设计，在研制过程中经历多次试验，结果表明满足开发的临床诊断设备应用需求，且具有电路形式简单、噪声性能良好、稳定性高等优点，可以在同类医用诊断设备的设计应用中加以推广，具有良好的应用前景。

　　参考文献：

　　[1]刘斌，张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003，27(3)：194-196

　　[2]宋涛，张斌，罗倩倩.光电转换电路的设计与优化[J].光电技术应用，2010，25(6)：46~48

　　[3]S1223 Si PIN Photodiode数据手册.日本滨松公司.

　　[4]高光天，等.传感器与信号调理器件应用技术[M].科学出版社.2002

　　[5]AD8034运输放大器数据手册.Analog Devices， Inc.

　　闫华文 北京深迈瑞医疗电子技术研究院有限公司（北京 100085）