基于光电倍增管的弱光检测电路设计

【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的微弱电流检测电路组成。

【关键词】光电倍增管（PMT）；分压器回路；弱电流；I/V变换

1.引言

在各种光传感器件中，光电倍增管（PMT，Photo Multiplier Tube）是性能最好的一种，无论在灵敏度、响应速度、噪声系数还是动态范围上都遥遥领先于其他的光传感器件，更难能可贵的是它的输出信号在相当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光电倍增管的分压器回路和光电倍增管阳极微弱电流转换放大电路两部分。光电倍增管采用北京滨松公司的谱响应为300nm～650nm（S-4）的R105型光电倍增管，R105型倍增管直径只有1-1/8英寸、九级倍增、侧窗型，采用特殊设计的抗滞后结构，具有极好的输出稳定性，能广泛适用于分光光度计、照度计、光密度计等技术领域[1]。

2.光电倍增管分压器回路设计

九级倍增的R105型光电倍增管的分压器回路采用阳极接地，阴极加负高压的方法，使电流计、电流电压转换、用运算放大器回路等外部回路和光电倍增管阳极在无电位差情况下易于连接。具体分压回路如如图1所示，图中K为光电发射阴极（光阴极），DY1～DY9为九级电子倍增极，P为电子收集极（阳极）。接于高压Vh上的串联电阻R1～R10，将Vh分割成所需要的梯度递增的倍增电压Vd1～Vd9供给PMT的各个倍增极使用。光电倍增管的增益可以通过调节各倍增极的极间电压来实现。此外，为了遮蔽杂光，提高对外部电磁场的抗干扰能力，需把光电倍增管放置在金属的屏蔽罩里。

回路中Ib是分压器电流，其是流过分压器回路的电流，它和输出线性有很大的关系。若R1～R10均相等，在没有任何光照并且PMT的暗电流为0的理想条件下，分压器回路可以提供线性递增的均分偏压共给各个倍增电极。此时

实际情况是，即使在R1～R10均相等并且高压电源Vh稳定的条件下，只要阳极电流不为0，得到的偏压也不是线性均分的。因为，各个倍增极的电流要流过分压电阻链，而且越靠近阴极的电阻上流过的电流越大，电阻上的压降也就越大。由于总电压Vh是稳定的（定数），靠近阴极侧的电阻上压降增加必然导致靠近阳极侧的电阻上压降减少，这称为电压再（重）分配效应。这样，一方面导致各个倍增极的偏置电压会随阳极电流的变化而波动，从而使PMT的总增益发生波动。另一方面导致偏置电压的线性均分性受到影响。

无论是线性均分的偏置电压还是非线性的偏置电压应用场合，均希望各倍增极上的偏压等于设计值而不要随阳极电流的变化而发生波动。因此采用图1的电压分配回路，又要保证电压重分配效应引起的倍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IP的最大值必须在分压器电流Ib的1%以内[2]。

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Rf和反馈电容Cf可以通过JP1的跳线进行选择，根据需要选择R12和C4、R15和C5或R16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Vout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Iin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Rf和反馈电容Cf，运算放大器同相端接地。这样，第一级运放的输出V01为：

（1）运算放大器的选择

运算放大器应该近似为理想的运算放大器，才能满足前面的假设条件，这就要求其开环放大倍数和输入电阻应为无穷大，这才能保证输入端工作电流为0，也要求输出电阻为无穷小，这才能保证输出电压不随下级负载而变；同时还要选择零点偏移小、温度漂移小、噪声电压小的运算放大器件。运算放大器最好选零点偏移小，无外部调零的器件。

（2）反馈电阻Rf的选择

输出电压既不能太小也不能太大，应该根据器件情况选一个合适的值。如果输出电压太小，一是容易受到噪声信号的干扰，二是会增加下级放大器的负担。通常要求输出电压应比运算放大器的噪声电压至少大于两个数量级或更大。如果输出电压太大，一是必然要增大反馈电阻Rf，二是增大对运算放大器性能的要求。反馈电阻Rf过大其稳定性变差，容易造成干扰[3]，测量时间也变长，同时反馈电阻的选取和测量也变得十分困难。综上所述，可将I/V转换电路的输出电压设定在50～100mV之间是比较合适的[4]，然后选择相应的反馈电阻Rf。

（3）反馈电容Cf的选择

对于并联负反馈放大器，反馈之路反馈电阻Rf折算到输入端的等效输入电阻Rsf为，反馈电容Cf等效到输入端时相当于。设输入端的分布电容为C0，Rf两端的分布电容为Cf0，由于Cf0较小约为1pF左右，C0约为10pF左右，而反馈电容Cf取值通常为几十到几百pF，以及，输入端总的等效输入电容，输入端的时间常数。

由于输入端输入电阻和输入电容的积分作用，当有信号输入或变化时，输出信号要经5τ的时间才能达到稳定，即为测量时间[5]。如果，，则达到稳定输出所需的时间0.05ms。

反馈电容Cf起积分作用，可抑制或平滑噪声的干扰。Cf越大，抑制噪声的能力就越强，但要降低响应速度，要权衡考虑其取值。其实Cf还有补偿输入端分布电容的作用，以防出现振荡现象。

3.2 减小干扰的措施

减小干扰对微弱电流的放大是很必要的，其干扰源来自多方面，有的来自器件本身，有的来自外部。除了选择稳定性好、噪声小的器件外，在电路上和工艺上采取以下措施。

（1）电源退耦滤波

在每个运算大器的正负电源端都串加一个RC退耦滤波节，其作用是减小放大器各部分电路之间通过公共直流电源产生的寄生耦合，稳定放大器的工作，防止产生振荡和干扰。电阻的选择要恰当，电容通常由一大一小两个并联，大容量电容本身有电感，对快变化的电流脉冲滤波效果不理想，再并一小电容可达到较好的效果。

（2）输出滤波

反馈式电流放大器型I/V转换电路对噪声的干扰很敏感，若被测电流受到偶然噪声信号的扰动，经Rf放大后会对后续电路产生很大的影响。对输出进行滤波可以抑制或平滑偶然噪声的干扰，在下级输入电阻（1）的两端对地各接一个小电容，构成π型滤波。

另外，把转换电路同相输入端直接接地，因为单端输入的I/V转换电路所用的运算放大器其输入偏置电流和输入失调电压均极低，所用的反馈电阻又极大，如果在同相端对地接一高阻值偏置电阻会引起干扰，通常不予采用。

（3）工艺要求

I/V转换电路的各接地点要相互靠近；输入电流采用高绝缘噪声电缆，并尽量短，以免降低输入阻抗和减小分布电容的影响；输入电缆屏蔽层需要单端接地，以免减低屏蔽保护作用；电缆和电路板应避免震动、扭曲等机械变形，以防引起压电效应和摩擦生电效应而产生干扰；连接导线采用同等材料的良导体线，以免两种金属热电势不同而产生噪声。

4.结束语

在微弱电流转换放大电路之后，利用A/D转换器件，或数据采集卡采集后，就可以得到数字量的微弱光的光强。试验表明，本文设计的基于光电倍增管的弱光检测电路能很好的检测出发光细菌毒性试验中发出的微弱光强。

参考文献

[1]北京滨松光子技术股份有限公司.产品信息[EB/OL]./product.asp.

[2]滨松光子学株式会社.光电倍增管——光探测器开拓光子学的未来(中译本)[M].北京:北京滨松光子技术股份有限公司,1995.

[3]吴瑞生,等.n-电离室输出电流测量中I/F变换器的设计[J].核电子学与探测技术,2001,21(6):468.

[4]周波,等.弱电流测试仪的研制[J].核电子学与探测技术,2003,23(1):94.

[5]清华大学.射线仪器电子学(上册)[M].北京:原子能出版社.

作者简介：

郑群生（1990—），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。

张理兵（1982—），男，浙江金华人，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。