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。