…………………………．皇子莲 ＿（（（（＿＿ 基于光电倍增管的弱光检测电路设计 温州医学院信息与工程学院的微弱电流检测电路组成。 郑群生 张理兵毛建智 陈龙 【摘要】设计了一种基于光电倍增管的弱光检测电路。该电路由光电倍增管分压器回路和检测光电倍增管阳极电流输出 【关键词】光电倍增管（Ｐ￣ｆｒ）；分压器回路；弱电流；ｉ／ｖ变换 １．引言 在各种光传感器件中，光电倍增 ２．光电倍增管分压器回路设计 流过分压器回路的电流，它和输出 九级倍增的Ｒ１０５型光电倍增管 线性有很大的关系。若Ｒ ～Ｒ 。均相 管（ＰＭＴ，Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ） 是性能最好的一种，无论在灵敏度、 的分压器回路采用阳极接地，阴极 等，在没有任何光照并ＲＰＭＴ的暗电 加负高压的方法，使电流计、电流 流为０的理想条件下，分压器回路可 响应速度、噪声系数还是动态范围 电压转换、用运算放大器回路等外 以提供线性递增的均分偏压共给各 上都遥遥领先于其他的光传感器件， 部回路和光电倍增管阳极在无电位 个倍增电极。此时 Ｊ ＝＝＝ 更难能可贵的是它的输出信号在相当 差情况下易于连接。具体分压回路 大范围内保持着高度的线性输出。 本文设计的弱光检测电路包括 如如图１所示，图中Ｋ为光电发射阴极 即使在Ｒ ～Ｒ 。均相 （光阴极），ＤＹ１～ＤＹ９为九级电子倍 等并且高压电源 稳定的条件下，实际情况是，只 光电倍增管的分压器回路和光电倍 增极，Ｐ为电子收集极（阳极）。接 要阳极电流不为０，得到的偏压也 增管阳极微弱电流转换放大电路两 于高压 上的串联电阻Ｒ ～Ｒ 。，将 不是线性均分的部分。光电倍增管采用北京滨松公 因为，各个倍增 分割成所需要的梯度递增的倍增 极的电流要流过分压电阻链而且 。，司的谱响应为３００ｎｍ～６５０ｎｍ（Ｓ一４） 的Ｒ１Ｏ５型光电倍增管，Ｒ１０５￣电压Ｖａ ～Ｖａ。供给ＰＭＴ的各个倍增极 越靠近阴极的电阻上流过的电流越 使用。光电倍增管的增益可以通过 大，电阻上的压降也就越大。由于 调节各倍增极的极间电压来实现。 总电压 是稳定的（定数），靠近 管直径只有ｌ—ｌ／８英寸、九级倍增、 侧窗型，采用特殊设计的抗滞后结 此外，为了遮蔽杂光，提高对外部 阴极侧的电阻上压降增加必然导致 构，具有极好的输出稳定性，能广 电磁场的抗干扰能力，需把光电倍 靠近阳极侧的电阻上压降减少，这称 泛适用于分光光度计、照度计、光 增管放置在金属的屏蔽罩里。 密度计等技术领域ｎ 。 接地 信号输出 高 电源地 为电压再（重）分配效应。这样， 回路中 是分压器电流，其是 一方面导致各个倍增极的偏置电压 ‘－＿＿－－－－－－＿＿－－＿－－－－－＿＿－＿－＿－－－。Ｊ ●－－－・‘‘一＿－・－－＿－－＿－－＿一－・－＿＿・－一＿－－－－＿・一一＿－・－－・・一一一一－－－－－．．一一一一一＿－－－＿＿－－＿．．－一一一－Ｊ 图１ Ｒ１ ０５型光电倍增管分压器 回路 图２微弱电流转换与放大电路 ／２０＂１２．ｏ２，电子世界一４３— Ｉ．）》．皇子燕 ………………………… 会随阳极电流的变化而波动，从而使 ＰＭＴ的总增益发生波动。另～方面导 致偏置电压的线性均分性受到影响。 （１）运算放大器的选择 Ｃ ＝（１＋ｌｋ１）（ｃ，＋ｃ，０）＋ｃ０ （１＋ｌｋ１）ｃ，， 运算放大器应该近似为理想的 输入端的时间常数ｔ＝Ｒ ，Ｃ ＝Ｒ，ＣＩ。 运算放大器，才能满足前面的假设 由于输入端输入电阻和输入电容的积 无论是线性均分的偏置电压还 条件，这就要求其开环放大倍数和 分作用，当有信号输入或变化时，输 是非线性的偏置电压应用场合，均 输入电阻应为无穷大，这才能保证 出信号要经５ ｔ的时间才能达到稳定， 希望各倍增极上的偏压等于设计值 输入端工作电流为０，也要求输出电 即为测量时间 。如果Ｒ，＝１ＭＱ，而不要随阳极电流的变化而发生波 阻为无穷小，这才能保证输出电压 Ｃ，＝１０ｐＦ，则达到稳定输出所需的 动。因此采用图１的电压分配回路， 不随下级负载而变；同时还要选择 时间０．０５ｍｓ。 又要保证电压重分配效应引起的倍 零点偏移小、温度漂移小、噪声电 反馈电容Ｃ 起积分作用，可抑 增极偏置电压偏离线性增益的程度 在１％以内，根据经验，阳极电流 的最大值必须在分压器电流 的１％ 以内 。 ３．微弱电流转换放大电路的 设计 由于光电倍增管阳极输出的电 流比较小，特别是检测光很微弱的 时候，可能是ｎＡ级别的微弱电流。 本设计中微弱电流转换与放大电路 如图２所示，由３级运放组成：第一 级ｕ１为ｉ／ｖ转换电路，反馈电阻 反馈电容Ｃ厨以通过ＪＰ１的跳线进行 选择，根据需要选择Ｒ 和ｃ 、Ｒ 和 Ｃ５或Ｒｌ６和Ｃ８三组中的一组；Ｕ２和Ｕ３ 为两级电压放大级，各放大１０倍左 右。由于光电倍增管出来的是负极性 电流，因此放大后的电压 为正极 性电压。下面对此电路的Ｉ／Ｖ转换电 路和减小干扰的关键点加以说明。 ３．１ Ｉ／Ｖ转换电路 Ｉ／Ｖ转换电路的作用是将被测 的微弱电流信号转换为电压信号， 如图２所示。输入电流厶 即光电倍 增管阳极输出电流，加至运算放大 器的反相输入端，输出端与反向输 入端之间接高阻值的反馈电阻Ｒ，并Ⅱ 反馈电容Ｃ ，运算放大器同相端接 地。这样，第一级运放的输出 为：ｖｏ１＝一Ｉｉ．Ｒ，＝一ＩｐＲ， 一４４一电子世界／２０１２，０２／ 压小的运算放大器件。运算放大器 制或平滑噪声的干扰。ｃ，越大，抑 最好选零点偏移小，无外部调零的 制噪声的能力就越强，但要降低响 器件。 应速度，要权衡考虑其取值。其实Ｃ （２）反馈电阻尼的选择 还有补偿输入端分布电容的作用，以 输出电压既不能太小也不能太 防出现振荡现象。 大，应该根据器件情况选一个合适 ３．２减小干扰的措施 的值。如果输出电压太小，～是容 减小干扰对微弱电流的放大是很 易受到噪声信号的干扰，二是会增 必要的，其干扰源来自多方面，有的 加下级放大器的负担。通常要求输 来自器件本身，有的来自外部。除了 出电压应比运算放大器的噪声电压 选择稳定性好、噪声小的器件外，在 至少大于两个数量级或更大。如果 电路上和工艺上采取以下措施。 输出电压太大，一是必然要增大反馈 （１）电源退耦滤波 电阻Ｒｓ，二是增大对运算放大器性 在每个运算大器的正负电源端 能的要求。反馈电阻Ｒ越大其稳定 都串加一个Ｒｃ退耦滤波节，其作用 性变差，容易造成干扰 ，测量时 是减小放大器各部分电路之间通过 间也变长，同时反馈电阻的选取和 公共直流电源产生的寄生耦合，稳 测量也变得十分困难。综上所述， 定放大器的工作，防止产生振荡和 可将ｉ／ｖ转换电路的输出电压设定在 干扰。电阻的选择要恰当，电容通 ５０～１００ｍＶ之间是比较合适的 ，然 常由一大一小两个并联，大容量电 后选择相应的反馈电阻Ｒ，。 容本身有电感，对快变化的电流脉冲 （３）反馈电容Ｃ 的选择 滤波效果不理想，再并一小电容可 对于并联负反馈放大器，反馈 达到较好的效果。 之路反馈电阻足折算到输入端的等效 （２）输出滤波 输入电阻足 ｒ（１＋ｌ ｋ Ｉ）～，反馈电容 反馈式电流放大器型Ｉ／Ｖ转换 ｃ 等效到输入端时相当于（１＋ｆｋｆ）ｃｒ。 电路对噪声的干扰很敏感，若被测 设输入端的分布电容为Ｃ。，Ｒ，两端 电流受到偶然噪声信号的扰动，经 的分布电容为Ｃ，。，由于Ｃ，０较小约为 Ｒ放大后会对后续电路产生很大的 ｌｐＦ左右，Ｃ０约为１０ｐＦ左右，而反馈 影响。对输出进行滤波可以抑制或 电容Ｃ 取值通常为几十到几百ｐＦ，以 平滑偶然噪声的干扰，在下级输入 及 ＞＞１，输入端总的等效输入电容 电阻（１）的两端对地各接一个小电 ………… ………………皇 蕴 －（（ Ｊ 容，构成ｎ型滤波。 起压电效应和摩擦生电效应而产生 ｐｒｏｄｕｃｔ．ａｓｐ． 另外，把转换电路同相输入端 干扰；连接导线采用同等材料的良 滨松光子学株式会社．光电倍增管——光 直接接地，因为单端输入的Ｉ／Ｖ转换 导体线，以免两种金属热电势不同 探测器开拓光子学的未来（中译本） 京： 北京滨松光子技术股份有限公司，１９９５． 电路所用的运算放大器其输入偏置 而产生噪声。 ［３］吴瑞生，等．ｎ一丫电离室输出电流测量中 电流和输入失调电压均极低，所用 ４．结束语 Ｉ／Ｆ变换器的设计Ｕ］．核电子学与探测技 的反馈电阻又极大，如果在同相端 在微弱电流转换放大电路之后， 术，２００１，２１（６）：４６８． 对地接一高阻值偏置电阻会引起干 利用Ａ／Ｄ转换器件，或数据采集卡采 ［４］周波，等．弱电流测试仪的研制Ｕ］．核电 扰，通常不予采用。 集后，就可以得到数字量的微弱光 子学与探测技术，２００３，２３（１）：９４． ［５］清华大学．射线仪器电子学（上册）［Ｍ］． （３）工艺要求 的光强。试验表明，本文设计的基 北京：原子能出版社． Ｉ／Ｖ转换电路的各接地点要相 于光电倍增管的弱光检测电路能很 互靠近；输入电流采用高绝缘噪声 好的检测出发光细菌毒性试验中发 作者简介： 电缆，并尽量短，以免降低输入阻 出的微弱光强。 郑群生（１９９０一），男，现就读于温州医 学院信息与工程学院电子信息工程专业。 抗和减小分布电容的影响；输入电 缆屏蔽层需要单端接地，以免减低 参考文献 ． 张理兵（１９８２一），男，浙江金华人， 屏蔽保护作用；电缆和电路板应避 【１】北京滨松光子技术股份有限公司．产品 助理研究员，温州医学院信息与工程学 院生物医学工程系教师。 信息［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｈｐｈｏｔｏｎ．ｃｏｍ／ 免震动、扭曲等机械变形，以防引 （上接第４２页） ５．结束语 本文设计的温控系统具有稳定性 溢出时间＝（Ｎ＊Ｐｒｅｓｃａｌｅ．３２７６８） 本设计的饮水机温控系统主要根 好、易于操作、性价比高的特点， ／晶振频率，其中Ｎ是单片机的时钟 据目前节能环保的发展趋势和实际 将其稍加改装即可应用于其他家用 周期，Ｐｒｅｓｃａｌｅ时预分频数，如果 应用的特点和要求，对现行饮水机 电器的控制系统中。 采用１２ＭＨＺ的晶振，通过设置相关寄 进行改进，采用单片机，利用软件 存器，看门狗溢出时间范围可设定 编程实现饮水机的智能保温节电。 参考文献 ［１】张毅刚，彭喜元，姜守达，乔立岩．新编 为６５．５ｍｓ￣８．３８ｓ。系统采用１２时钟 在保温阶段系统采用双位调节进行 ＭＣＳ一５１单片机应用设计［ ．哈尔滨工业 周期模式，晶振频率为１２ＭＨＺ，如果 温度控制，当温度高于保温温度时， 大学出版社，２００８． 系统在执行过程中不停地喂狗，是 停止加热，当温度下降到保温温度 ［２】毛学军，沙祥．液晶模块应用 ．电子工 比较浪费时间的，为了节省单片机 下２℃时，开始加热，控制水温在 业出版社，２０１０． ［３］靳桅，邬芝权，李骐，刘全．基于５１系列单 资源，本设计将看门狗溢出时间设 保温温度上下小范围内波动。双位 片机的ＬＥＤ显示屏开发技术（第２版）［Ｍ】． 定为８．３８ｓ。 调节是一种简单易行的控制方式， 北京航空航天大学出版社，２０１１，４． ４．实验结果 具有成本低廉、可靠性强的特点， 【４］汪孝国，王婉丽，祁双喜．高精度ＰＩＤ温 度控制器Ⅱ］．电子与自动化，２０００（５）． 图１２和图１３为室温２２℃下，保 在控制精度要求不是很高的场合广 ［５］刘春蕾．温度双位调节实验系统的设计 温温度设定为６０℃时，根据系统温 泛应用。通过实验证明该控制方法 卟河北建筑工程学院学报，１９９９（０２）． 控结果所绘制的曲线。图中横坐标 完全可以满足系统的使用要求。系 【６１８０５１系列单片机Ｃ程序设计完全手册 ．人民邮电出版社，２００６． 为采样时间（单位：分钟），纵坐 统采用１．８寸的ＴＦＴ彩屏作为显示部 ［７】余永权，汪，黄英．单片机在控制系 标为温度（单位：℃）。 分，利用软件编程设置了一个友好 统中的应用［Ｍ】．电子工业出版社，２００３． 实验结果表明，该温度控制系 的界面将饮水机的各项参数显示出 作者简介：林奇盛（１９９２一），男， 统实现了预期设计的目的。在保温 来，使得用户可以根据彩屏上的提 江西赣州人，现就读于南昌航空大学测 阶段，系统采用双位调节控制，温 示很方便的通过按键对相关参数进 试与光电工程学院，主要研究方向：单 度控制精度达到±２￣Ｃ，防止饮水机 行设定，这样该系统可以满足不同 片机开发与应用。 在使用过程中形成“千滚水”。 环境下用户的使用要求。 ／２０１２ ０２／电子世界 一４５—
