1、光纤电 流传感器（Fiber Optical Current Sensor） 以其高绝缘性 、抗高电磁噪声、高线性度响应等诸多优 点，在高电压 强电流的测量领域中得到广泛的重视和研 究。 目前研 究的光纤电流传感器普遍应用各种物理效应，如 Far aday 磁光效应或磁致伸缩效应，使光通过传感元件 感应后，经光检测放大器进行信号转换放大处理， 以使进行传感信号分析。 光检测放大器在整个 OFCS 系统中完成光/电信 号变换，将被调制到光载波上的外界变化量形成电 信号输出（图 1 所示）。所续的处理精度多半依赖 于检测放大器输出的电信号的精度，因而光检测放 大器的电路设计显得尤为重要。对于光纤电
2、流传感器来说，需要检测 50Hz 的频率信号，在普通的放大电 路中，50Hz 却常作为工频噪声干扰信号混入，因而加大了 OFCS 的光电检测难度。本文将介绍一种新型 的 PIN 光探测器（光敏二极管）的光电检测放大器设计方法。依照弱信号检测理论，在电路设计时采取多 项措施力图提高信噪比。为了获得良好的带通滤波效果，本文还提出了一种新的双 T 型选频网络电路的设 计方法。从实测的结果来看，这种 PIN 光检测放大器的设计取得了较为满意的效果。 1 光电检测原理 光电检测电路的转换模式为：光电流电压。 在检测电路中主要由光电探测器来完成光电流的转换。目前使用的光电探测器多为 PIN 探测器。 PI
3、N 探测器在低偏压下漏电流低，约在 10 110A 数量级，响应速率快，约 10 -7S，响应频率为 10GHz 左右。但 PIN 管的输出电流较小，为微安级，灵敏度较差。光检测放大器须将 PIN 接收的光信号变成与 之成比例的微弱电流信号，再通过运算放大器变换成电压信号。 在图 2 中 PIN 相当于电流源，设光生电流为 Ip,理想运放的输入阻抗为无穷大，反馈电阻为 Rf，根 据运放分析规则，若运放的开环增益为 Auo，则可计算运放的等效输入阻抗为： Rin=Rf/(1+Auo)R idRf/(1+Auo) 其中 Rid 是运算放大器的开环输入阻抗，对 FET 运放输入的情形， Rid 可视
4、为无究大；Auo 是开环放大 倍数，一般 Auo 数值极大；将这些值代入上式可知 Rin 的值很小，接近于零。进一步可计算运放输出， 为： V0=-IpRf 由此完成了光电流电压的变换。 2 放大器电路设计 根据实际光纤电流传感器的需要，制定了光探测放大器的主 要技术指标： 增益4000 倍；改进方式双 T 型选频网络：中心频率 50Hz（检 测工频电流）；输入频率带宽100kHz；输出噪声10mV 。设计放 大器共分 3 级：前两级为信号放大组，后级为改进的 T 型选频网络 带通滤波级。 根据多级放大器噪声分析理论，其噪声系数定义 为： 其中 Fi 为第 i 级噪声系数，Kpi 为第 i 级
5、增益。 可见提高第一级的增益可以有效地抑制噪声。因 此第一级增益定为 100，第二级定为 10，T 型选频网络 增益为 4。在带通滤波电路的选择上，由于有用信号的 频率为 50Hz，因此必须选择相对相移小、高 Q 值的带 通滤波器进行带通滤波。在放大器电路的各个部分还存 在许多器件的固有噪声，供电电源处理不当也会引入较 大的噪声，因此，电路设计时必须考虑到从各方面抑制 噪声的问题。 3 具体设计及超前补偿网络的应用 为了在噪声干扰比较严重的情况下仍能获得比较好的带宽增益和高信噪比，两级运放全部采用斩波 稳零超低漂移运放 ICL7650SC。ILC7650SC 为 intersil 公司出品的
6、14 脚单运放集成块，常温下开环增益可 达 150dB；共模抑制比高达 140d B；输入偏置电流低于 10pA；带宽 2MHz；对温度和长期工作的漂移电 流为漂安级。 电路电阻均选择经过筛选的金属膜电阻，条件允许的情况下，可选用线绕电阻。电容选用高频性能 好的磁片电容，极性电容选择钽电容。 第一级使用 ICL7650SC 反相放大，完成光电流电压的变换，第二级使用 ICL7650SC 正相输入放 大，总倍数为 10010。由于放大器 2 级之中产生附加相移，如果因反馈过深引起的附加相移超过 180就 会引起运放自激。为了防止自激，可以引入超前补偿网络（如图 3），具体做法是与运放反馈电阻 R
7、7、R 5 分别并联电容 C2、C3，从而改善了系统响应函数的零极点位置，达到稳定系统的目的。 改进后的两级相频曲线如图 4 所示（虚线为改进前的，实线为改进后的）。从图中可以看出，加入 超前网络后显然能够有效地改善系统幅频和相频响应，拓展带宽，增加系统稳定性。 4 新型 T 型选频网络电路 从前两级运放出来的信号仍然混入了大量被前两级运放放大了的噪声信号，因此，必须增加一级带 通滤波电路进行滤波信号提纯。然而，对于噪声较大信号的带通滤波，一般使用的带通滤波器效果都不是 很好。经过对各个带通滤波电路的反复测试比较，选用相对相移极小，带通滤波效果比较明显的双 T 型选 频网络。 传统的双 T 型
8、网络（图 5 中无运放 A2 时）参数如下： 其中：R1=R2=2R3=R C1=C2=C3/2=C fo=1/(2RC) Q=（1+A1）/4 Ho=A1 然而在双 T 型选频网络的使用当中，由于其 Q 值不高，低于 1，电路带通效果不理想。为了提高带通 效果，通常必须采用增大闭环增益 A1 的方法来提高，但这种线路结构的 Q 值选取也受到一定的限制，当 选取较高的闭环增益时，会引入附加相移，对相对相位变化影响较大，为保证精度，同时还要求相应提高 运放开环增益。本文则提出了一种表的 T 型选频网络设计方法，使提高 Q 值的同时不影响其他参数变化 ，带通宽度更窄，带通效果更为显著。具体做法是：
9、在反馈网络中再接一个同相输比例运放作为双 T 网络 的负载，此时 Q 值可再提高 A2 倍，电路如图 5。 其相应参数如下： fo=1/(2RC) Q=（1+A1A2）/4 Ho=-(R7)/(R8) 式中：A1=（R7 ）/（R8） A2=1+(R4)/(R5) 可见新型 T 型选频网络的带通范围比传统的 T 型网络更窄 ，Q 值更高，选频特性更好。改进前后的频响曲线如图 6 所示。 5 其他电路处理 在实验中，由于电磁波干扰较多，还应从电路的其他方面抑 制噪声的产生和放大。具体做法如下： （1）正负电源加退耦电容，在满足响应时间的情况下尽可 能大些，一般为 4.7F 的锝电容电容并联一个
10、0.01F 的瓷片电容 效果较好； （2）电路板要尽可能地小，采用低温焊锡，输入线采用钳夹方式或紫铜-紫筒连接。电路板制好可 以长时间通电进行快速老化，增进稳定性； （3）输入端最好采用保护环方式，具体方法参见文献4。输入输出线要尽可能地短，最好制成一 块小板置于屏蔽盒内。屏蔽盒更接地良好。 6 测试结果和结论 在光纤电流传感器实验的后续信号处理中，利用 CH1、CH2 两个通道同时进行观测，当增益为 4000 倍时得到的 CH1/CH2 波形分别如图 7 上下子图形所示。噪声其本被有效抑制，放大器输出比较稳定的 50 Hz 正弦波形，带通效果显著，能够为后级的数据采集卡提供满意的电压信号。如果将第二级的反馈电阻 改成可调电阻，该放大器便能够调节放大倍数，并且，去除双 T 型选频网络之后，该放大器也可用于其他 微弱光电信号检测场合，使用会更加灵活。值得注意的是：一旦将增益设计 10000 倍以上，自激现象较难 克服，因此，还应利用其他的补偿方案来改善频响特性，从 PCB 板的设计布局方面也应优化，使设计后 噪声减至最小。
