激光干涉仪光电检测电路的设计

　　0　引言

　　激光干涉仪是干涉式大气垂直探测仪的参考干涉系统。它利用波长为632.8 nm的He-Ne激光光源,在大气垂直探测仪的动镜运动时,与目标红外辐射一起在主干涉系统中同时被调制,通过对光电探测器接收的激光干涉信号进行处理, 可以获取控制信号用来触发主干涉仪等间隔采样及控制动镜匀速运动。激光干涉信号是微安级的微弱电流信号且带宽可达0.5 MHz,为了获取这样的微弱信号,需要设计低噪声的光电检测电路。在微弱光电信号检测领域,各种新方法层出不穷,文献[1]给出基于锁相放大原理的光电检 测电路实现方法,文献[2]提出用快前置放大器对光电信号进行检测。本文提出了一种基于低噪声低失真宽带运放MAX4488的光电检测电路设计方法,能将 掩埋在噪声中的激光干涉信号提取出来,通过滤波和整形处理,获取脉冲输出信号,为大气垂直探测仪的可靠运行提供有效的控制信号。

　　1　激光干涉信号检测

　　激光干涉信号通过硅光电探测器接收后生成光电流,经过光电转换前置放大和次级放大电路,获取信号幅值和后续信号调理电路匹配的正弦电压信号,再 经过低通滤波电路滤除激光干涉信号的高频噪声,最后对信号进行比较整形获得输出信号。激光干涉信号光电检测电路组成如图1所示。

　　根据干涉信号产生原理,参考激光干涉信号的调制频率f可表示如下:

　　其中,v是主干涉仪动镜的速度,λ是He-Ne激光器的波长。按大气垂直探测仪的设计要求,动镜在匀速段速度为8.34 cm/s,He-Ne激光器的波长为632.8 nm。代入式(1),计算可得f=263.5 kHz,给定频率值便可求出电路的相关参数。

　　2　光电转换前置放大电路

　　硅光电二极管的光谱响应范围从可见光到1 100 nm,响应时间从,响应速度快。选用探测单元为0.8 mm的PIN型高速硅光电二极管S10783,其响应度为0.46μA/μW,暗电流为0.01 nA,结电容为4.5 pF。

　　硅光电二极管在光伏模式下工作,可实现非常精确的线性度,被放大的信号只与入射光强成正比。此时暗电流为零,探测器的噪声主要是散粒噪声和电阻的热噪声,当待测信号是微安级的微弱电流信号时,这对提高系统信噪比是非常有益的。

　　光电转换前置放大电路将μA级光电流信号变换成与后续电路匹配的电压信号,这就要求放大器具有低噪声及低输入偏置电流和输入失调电压性能。MAX4488是CMOS输入级运算放大器,具有非常高的输入阻抗,在1 kHz时输入电压噪声密度4.5 nV/,输入电流噪声密度0.5 fA/ ,输入偏置电流1 pA,输入失调电压70μA,这使得MAX4488能够满足源阻抗较高的硅光电二极管前置放大电路的低噪声要求,且能有效地减小系统误差,保持电路精度[3]。光电转换前置放大电路如图2所示。