电路功能与优势
图1所示电路是一个双通道色度计，集成调制光源发射器和同步检波器接收器。电路以三种不同的波长丈量样本与参阅容器的吸收光线之比。
该电路针对许多化学剖析和环境监控仪器供给有用的处理方案，这些仪器仪表用于经过吸收光谱丈量浓度和表征资料。
光电二极管接收器调度途径包括可编程增益跨阻放大器，用于将二极管电流转换为电压，并答应剖析光吸收状况大不相同的不同液体。16位Σ-Δ型模数转换器（ADC）供给额定的动态规模，确保宽规模光电二极管输出电流具有满足的分辨率。
运用调制光源和同步检波器而非恒流（直流）源可消除环境光线和低频噪声发生的丈量差错，并供给更高的精度。
图1. 带可编程增益跨阻放大器和锁定放大器的双通道色度计（原理示意图：未显现一切衔接和去耦）
电路描绘
AD8618 四通道运算放大器构成三个简略的电流源，以恒定电流驱动LED。 EVAL-SDP-CB1Z发生5 kHz时钟，经过单刀双掷（SPDT）开关 ADG633调制一个LED，以便翻开或封闭其电流源的基准电压。将别的两个LED的电流源设为0 V可在不用时将其封闭。
波束分离器将一半光线经过样本容器发送，另一半经过参阅容器发送。取决于每个容器中介质的类型和浓度，容器可吸收不同量的光。每个容器另一侧的光电二极管发生少数电流，数量与接收到的光量成份额。
每条通道的榜首级包括 AD8615 运算放大器，该运算放大器装备为跨阻放大器，可将光电二极管输出电流转换为电压。 AD8615作为光电二极管放大器，是一个不错的挑选，因为它具有极低的输入偏置电流（1 pA）、输入失调电压（100 μV） 和噪声（8 nV/√Hz）。尽管信号随后经沟通耦合，在本级中尽量削减直流差错仍然很重要，这样可防止丢失动态规模。运算放大器输入偏置电流乘以输出端的反应电阻值，作为失调电压。带增益输出端上的运算放大器输入失调电压取决于反应电阻和光电二极管分流电阻。此外，流经光电二极管的任何运算放大器输入电压失调都会导致光电二极管暗电流的添加。
图2显现带单反应电阻的典型跨导放大器及其抱负传递函数。
图2. 跨导放大器传递函数
因为某些受测溶液或许具有十分强的吸收特性，因而有时需求运用大反应电阻以丈量光电二极管发生的极小电流，一起要可以丈量与高度稀释溶液相对应的大电流。为了处理这一难题，图1中的光电二极管放大器含有两个不同的可选增益。其间一个增益设为33 kΩ，另一个设为1 MΩ。当单SPDT开关衔接运算放大器的输出端以便开关反应电阻时， ADG633的导通电阻或许导致跨阻增益差错
为了防止这个问题，图3显现了一种较好的装备，在该装备中，反应环路内部的ADG633挑选所需电阻，一起第二个开关将体系下一级与所选反应环路相连。放大器输出端的电压为：
VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × RFEEDBACK
而非
VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × （RFEEDBACK + RON ADG633） ADG633坐落反应环路之外，该级的输出阻抗即为 ADG633的导通电阻（一般 52 Ω），而非与闭环作业时运算放大器输出有关的极低输出阻抗。
请注意，出于稳定性考虑，要求运用反应电容 CFx，以补偿总输入电容（二极管电容加上运算放大器输入电容）以及反应电阻 RFx发生的极点。有关此剖析的概况，请拜见传感器信号调度有用规划技巧中的第5部分。
哪怕比如 AD8615 这类最好的轨到轨输出放大器都无法彻底摇摆输出至电轨。此外， AD8615上的输入失调电压可认为负，尽管其数值十分小。 ADR4525基准电压源将光电二极管和放大器偏置到2.5 V，而非运用负电源确保放大器不会被削波，然后可驱动至0 V。电路板的模仿和数字部分选用 5 V线性调节器供电。
图3. 可编程增益跨导放大器
光电二极管放大器输出电压可在2.5 V至5.0 V规模内摇摆。关于33 kΩ规模而言，2.5 V输出规模对应满量程光电二极管的电流值为75.8 μA。关于1 MΩ规模而言则对应2.5 μA。运用1 MΩ的增益设置进行操作时，重要的是维护光电二极管不受外界光线影响，以防放大器饱满。尽管下文所述的同步整流器可极大地衰减任何不与LED时钟同步的频率，但假如上一级被衰减，则它无法正常发挥作用。每通道的增益设置可经过 EVAL-SDP-CB1Z板独立挑选。
下一级是简略缓冲沟通耦合滤波器。滤波器截止频率设为 7.2 Hz；它移除一切输出失调电压，并衰减白炽灯和荧光灯以及其它一切进入光电二极管的杂散光形成的低频光污染。一起， ADR4525的输出还将该电路偏置到2.5 V；因而，该级的输出信号摆幅标称值规模为1.25 V至3.75 V。
紧随沟通耦合滤波器之后的电路为同步整流器电路，选用 AD8271 差动放大器和 ADG733 三路SPDT开关组成。 ADG733 内部开关与 AD8271的内部10 kΩ增益设置电阻串联；因而， ADG733 的4.5 Ω最大导通电阻形成的增益差错仅为0.05%，而且温度漂移低于1 ppm/°C。
体系的其余部分运用 ADG633开关，因为它们具有极低的走漏电流和较低的寄生电容。
当驱动LED的时钟处于高电平状况时， ADG733 内的开关将依据如下简略传递函数装备 AD8271
VO = VIN
其间：
VO为同步检波器的输出。
VIN为同步检波器的输入，规模为2.5 V至3.75 V。
在该装备下，同步整流器用作单位增益放大器。
当驱动LED的时钟处于低电平状况时， ADG733 内的开关将依据如下传递函数装备 AD8271
VO = 2VREF − VIN
其间：
VREF为 ADR4525的2.5 V输出。
VIN规模为1.25 V至2.5 V。
这种状况下，当输入为1.25 V时（沟通耦合级可输出的最小电压），同步整流器的输出为3.75 V；而当输入为2.5 V时（沟通耦合级的中心电平），同步整流器的输出为2.5 V。在这种装备下，同步整流器的增益为−1，而且在+2.5 V基准电压邻近偏置。
图4. 每步的体系框图和时域波形
图4为体系框图，并标出了每级的电压规模。同步整流电路处理后的成果为可变直流电压，改动规模为2.5 V（没有光线抵达光电二极管）至3.75 V（满量程光输入）。该输出电压对应1.25 V的满量程输出摆幅。
该电路过滤频率不与LED时钟同步的信号（或奇次谐波，因为时钟波形为方波）。在频域中， AD8271输出端的低通滤波器看上去像一个LED时钟频率邻近的带通滤波器。该滤波器的带宽越低，同步整流器就越能按捺带外噪声。出于噪声按捺和树立时刻的权衡考虑，该滤波器的截止频率设为16 Hz。有必要阐明，该滤波器带宽约等于LED时钟。例如，若LED调制为5 kHz，则同步检波器的3 dB通带规模为 4.984 kHz至5.016 kHz。
体系终究级为低噪声、16位、Σ-Δ型ADC AD7798 。该ADC 集成内置的可编程增益放大器（PGA），具有差分输入。将 2.5 V基准电压源与AIN引脚相连，并将PGA增益设为2以便答应它把同步整流器的2.5 V至3.75 V输出映射为满量程16位输出。此外， AD7798的输出滤波器还供给50 Hz和60 Hz下的最低65 dB按捺，进一步衰减同步检波器的一切噪声。
为了验证前端电路不会对体系发生过大的噪声，数据在 LED禁用时收集。同步检波器仍然作业在LED时钟频率下，但不会检测到任何与该时钟同步的光信号。因而，它可移除除了 AD8271 和ADC发生的差错之外的一切直流和沟通信号。图5显现该装备下的噪声，它针对单个通道的数值低于1 LSB（ADC输入在两个代码之间置中），针对另一个通道为1 LSB峰峰值（ADC输入在两个相邻代码之间坐落过渡区域）。此外，需注意丈量电压为负，数值为几个mV，这是契合 AD8271典型失调差错散布的预期功能。
图5. LED源禁用时的ADC电压
常见改动
改动光电二极管放大器上反应电阻的数值即可改动放大器增益。这是一种自定义电路的简略办法，可用于不同光照水平的特定使用。但是，补偿%&&&&&%也有必要改动，以坚持带宽，确保放大器的稳定性。
关于极低水平光照丈量体系而言，同步检波器的低通滤波器其截止频率可设为低得多的频率值，以便具有最佳功能，但价值是丈量周期较长。
因为LED的光输出随温度改动而改动，体系以样本和参阅通道的份额进行丈量。光电二极管的增益容差最大值为 ±11%；因而，因为LED输出随时刻和温度的改动而改动，份额的改动在必定程度上存在漂移。参加光学反应环路操控起伏后，LED可大幅下降光随温度改动而改动的程度，乃至使单通道准确丈量成为或许。图7表明典型200个样本收集期间的参阅通道与样本通道读数之比。
图6. 校准后的份额读数（敞开赤色LED，样本和参阅容器中有蒸馏水）
