【文章內(nèi)容簡介】 電流小于 1nA）、響應(yīng)快、接收面積大等特點。 工作過程 當(dāng) 光照射 到光陰極時，光陰極向真空中激發(fā)出 光電子 。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的 靈敏度 和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。 二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。打拿極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。常用的打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。打拿極的形狀應(yīng)有利于將前一級發(fā)射的電子收集到下一極。在各打拿極 D D D3? 和陽極 A 上依次加有逐漸增高的正 電壓 ,而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于 1。這樣 ,光陰極發(fā)射的電子在 D1電場的作用下以高速射向打拿極 D1,產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子 ,于是這些電子又在 D2 電場的作用下向 D2 飛去。如此繼續(xù)下去，每個光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。電子倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的打拿極把來自前一級的電子經(jīng)倍增后聚焦到下一級去，兩極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環(huán)瓦片式（即鼠籠式）、直線瓦片式、盒柵式和百葉窗式。 光電倍增管是依據(jù)光電子發(fā)射、二次電子發(fā)射和 電子光學(xué) 的原理制成的、透明真空殼體內(nèi)裝有特殊 電極 的器件。光陰極在 光子 作用下發(fā)射電子，這些電子被外電場 (或磁場 )加速，聚焦于第一次極。這些沖 擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，它們再被聚焦在第二次極。這樣，一般經(jīng)十次以上倍增 ,放大倍數(shù)可達(dá)到 108～ 1010。最后 ,在高電位的陽極收集到放大了的光 電流 。輸出電流和入射光子數(shù)成正比。整個過程時間約 108 秒。還有一種利用彎曲鉛玻璃管自身內(nèi)部的二次電子發(fā)射構(gòu)成小巧的倍增管。光電倍增管在全暗條件下，加工作電壓時也會輸出微弱電流，稱為暗流。它主要來源于陰極 熱電子發(fā)射 。光電倍增管有兩個缺點： ① 靈敏度因強光照射或因照射時間過長而降低，停止照射后又部分地恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為 “ 疲乏 ” ； ② 光陰極表面各點靈敏度不均勻。 運行特性 光電倍增管的穩(wěn)定性是由器件本身特性、工作狀態(tài)和環(huán)境條件等多種因素決定的。管子在工作過程中輸出不穩(wěn)定的情況很多，主要有： 、結(jié)構(gòu)松動、陰極彈片接觸不良、極間尖端放電、跳火等引起的跳躍性不穩(wěn)現(xiàn)象，信號忽 大忽小。 。 。環(huán)境溫度升高，管子靈敏度下降。 ，引起暗電流增大和不穩(wěn)。 。 4 光電檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計 本光電檢測系統(tǒng)采用的是光強型直接測量法，即將攜帶被檢測物理信息的光強，投射到光電探測器上轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大后直接采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計包括密封容器 (光源部分 )，光電探測器 (光電二極管 )，前置放大電路，濾波電路，主放大電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換 (A/D 轉(zhuǎn)換 )電路，單片機， PC。系統(tǒng) 框圖如下： 圖 2 系統(tǒng)框圖 Fig 2 Block Diagram of System (1)光電密閉容器 : 其中放置石英杯 (裝載發(fā)光物質(zhì)與農(nóng)藥的混合物 )，光電探測器置于密封口出處； (2)光電探測器 : 用于檢測光信號，并將之轉(zhuǎn)換為電信號； (3)前置放大電路 : 對光電探測器檢測到得信號進(jìn)行放大； (4)濾波電路 : 濾除電路中的噪聲； (5)主放大電路 : 對信號進(jìn)行再次放大，使信號能夠被 A/D 轉(zhuǎn)換器接收到； (6)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 : 把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號； (7)單片機 : 控制系統(tǒng)，使用戶 AT89C51； (8)PC:即計算機。 光電檢測系統(tǒng)硬件電路圖 下面給出設(shè)計的光電檢測系統(tǒng)的整體電路圖 。 如圖 3 所示： 前置放大電路 光電系統(tǒng)中，光電檢測器件所接收的光信號十分微弱，要有效利用這種信號，就必須對其進(jìn)行放大。光電檢測系統(tǒng)中，光電器件的輸出端都緊密連接一個低噪聲前置 放大器組成前置放大電路。它的任務(wù)是 :放大光電檢測器件輸出的微弱光信號 ,對前置放大器的要求是 :低噪聲、高增益、低輸出阻抗和良好的抗干擾能力 [6]。 圖 3 光電檢測系統(tǒng)硬件電路圖 Fig 3 Circuitry of Photoelectric Detection System 此外，還要仔細(xì)地屏蔽，以消除散雜場信號。前置放大器品質(zhì)的優(yōu)劣勢整個信號處理系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。 基本電路分析 用光電二極管組成的光電轉(zhuǎn)換電路，實際上是一個光電流、電壓的變換器。 光電二極管將接收的光信號變成與之成比例的微弱電流信號，通過運放和反饋電阻組成的放大器變換成電壓信號 [7]。 基本電路如圖 4 所示： 圖 4 電流 電壓轉(zhuǎn)換電路 Fig 4 CurrentVoltage Switching Circuit 假定運放為 理想的運放，其輸入電阻和放大倍數(shù)都為無窮大，則輸出電壓為Uo=IpR。 輸出電壓 Uo 的值與輸入電流 Ip 成線性關(guān)系，靈敏度由反饋電阻 R 確定。 而實際應(yīng)用中，不存在完全理想的運放。受到運放失調(diào)電壓 Vod 與偏置電流 Ib 的影響，輸出電壓將產(chǎn)生誤差。 誤差電壓 Ue=Vod(l+R/Rd)+IbR，其中 Rd 為光電二極管的結(jié)電阻。 由此式中可以看出，當(dāng)運放的失調(diào)電壓與偏置電流都較小時，輸出電壓誤差才會減小。 因此，選擇運放時我們要選擇性能參數(shù)都符合要求的運放。 噪聲分析 首先，給出光電轉(zhuǎn)換電路的等效電路圖， 如圖 5 所示： 其中左端的電路是硅光電二極管的等效電路。 Rf是反饋電阻， Cf是為消除震蕩的反饋電容 .可以推導(dǎo)出輸出電壓的公式 ： (5) 可以看出， RD 越大， CT 越小，噪聲影響越小， Cf 可以限制高頻段的噪聲增益。 除了電路中探測器和運放帶來的噪聲外，電路的主要噪聲來源于電阻 Rf在純電阻電路中電阻的熱噪聲 UT 取決于檢測電路的實際通頻帶△ f。 (6) 圖 5 光電轉(zhuǎn)換電路的等效電路圖 Fig 5 Equivalent Circuitry of Photoelectric Converting Circuit 前置放大器的選擇 本系統(tǒng)選用 AD795KN 作為前置放大電路的放大器。它是一種低噪聲、高精度、FET 輸入的放大器。 參數(shù)如下 ： (1) 失調(diào)電壓 :25℃，最大為 250uV(K 級 )； (2) 失調(diào)電壓漂移 :最大為 3V/℃ (K 級 )； (3) 輸入偏置電流 :25℃，最大為 1pA(K 級 )； (4) :； (5) 在正負(fù) 15V 的功耗為 40MW； (6) 增益帶寬乘積 1MHz。 前置放大電路的設(shè)計 第一種前置放大電路是在光電轉(zhuǎn)換電路上的初步改進(jìn)，如圖 6 所示。它在運放的同相輸入端串聯(lián)了一個電阻 R1 來消除運放的偏置電流造成的偏壓誤差 (其中包含了由溫度引起的偏置電流漂移的影響 )，但它的引入同時又帶來了電阻熱噪聲，因此常在其兩端并聯(lián)一個電容 C1 以減小噪聲寬帶 [8]。 第二種是 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)的前置放大電路。 圖 6 優(yōu)化的前置放大電路 Fig 6 Optimized Preamplification Circuit T 型電阻網(wǎng)絡(luò)的前置放大電路，是用一個 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)代替 Rf，如圖 7 示。 RT=R2+Rf+R2Rf/R3，一般情況下， Rf 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 R3，從而減少電阻的寄生電容的影響，提高信號的頻帶寬度。 圖 7 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)的前置放大電路 Fig 7 Preamplification Circuit of T Style Resistance Network 通過圖 6和圖 7可以推導(dǎo)出 UO=IpRT+En(1+RT/RD+Rf/R3) (7) 電路的缺 點是， T 型網(wǎng)絡(luò)使得運放的偏置電壓、電壓噪聲以及電阻上的熱噪聲比非 T 型網(wǎng)絡(luò)都放大了 1+Rf/R3 倍，而 Rf遠(yuǎn)大于 R3。所以電路的噪聲很大，精度較差。 第三種是復(fù)合前置放大電路。 本系統(tǒng)的前置放大電路選擇的是一種復(fù)合放大電路，如圖 8 所示。它選用兩個運放，由一個內(nèi)反饋電路與一個外反饋電路組成。這種電路具有降低噪聲帶寬而不影響信號頻帶的特點。圖中， R R C3 組成了內(nèi)反饋電路，它控制著 U2A 的增益響應(yīng)特性。在直流情況下，該反饋由 C3 斷開，此時放大器的開環(huán)增益是兩個放大器開環(huán)增益的乘積。合理地設(shè)置 R4/R3 的比值 有減小噪聲帶寬的功效。圖中 R2 是為了補償因R1 過大所造成的直流誤差， R2 上的并聯(lián)電容 C2 用以去除它上面的雜散噪聲。外反饋電阻 R1 上并聯(lián)的電容 C1 為消振電容，它的作用是減小電路的通頻帶 [9]。 圖 8 復(fù)合前置放大電路 Fig 8 Compound Preamplification Circuit 防泄漏措施和接地 從光電二極管出來的光電流是十分微弱的，如果電路板上再存在泄漏出去的路徑，就會使得流過反饋電阻的有效電流減小，這就大