下载文档原格式
光电二极管前置放大器设计许多常用传感器的输出阻抗超过几兆欧，因此，其相应的信号调理电路必须仔细设计，以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求。
本文分析介绍光电二极管前置放大器，文中讨论了与高阻抗传感器信号调理电路有关的问题，并提供了实际解决方案。
光电二极管前置放大器设计光电二极管在受到光照时，会产生一个与照度成正比的小电流，因此是很好的光电传感器，可广泛应用于精密光度计、高速光纤接收器等领域。
光电二极管的等效电路如图1所示。
光电二极管灵敏度的标准规定方法之一是对来自严格定义的光源给定的光强确定它的短路电流ISC。
最常用的光源是工作在2 850K色温下的白炽钨灯。
在100fc(呎-烛光)照度(相当于阴天的光强)下，对于小面积(小于1mm2)二极管的短路电流通常是数皮安(pA)到数百微安(μA)。
短路电流在6~9个数量级的光强范围呈理想线性变化，因此常被用作绝对光强的测量。
光电二极管两端的开路电压随光强呈对数变化，但因为其温度系数很大，所以二极管电压很少用于光强的精密测量。
分路电阻RSH在室温下通常是1000MΩ左右，且温度每增加10 ℃就减少1/2。
二极管电容CJ随结面积和二极管偏压而变化，对于结面积很小的二极管，零偏压时的典型CJ是50pF。
光电二极管可以以两种模式工作，一是零偏置工作(光伏模式,如图2a)，一是反偏置工作(光导模式,如图2b)。
在光伏模式时，光电二极管可非常精确地线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲线性。
在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流，叫做暗电流(无照电流)。
在零偏置时则没有暗电流，这时二极管噪声基本上是分路电阻产生的热噪声。
在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
在设计光电二极管过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的，而不是两种模式的使用都是最优化。
将光电二极管电流转换为可用电压的简便方法,是用一个运算放大器作为电流——电压转换器(如图3所示)。
关于光电检测电路的设计与研究光电检测电路是一种用于检测光信号的电路，它可以将光信号转换成电信号，常用于光电传感器、光电开关、光电编码器等设备中。
光电检测电路的设计与研究在工业自动化、智能家居等领域有着广泛的应用。
本文将就光电检测电路的设计与研究进行探讨，希望可以对读者有所帮助。
一、光电检测电路的基本原理光电检测电路主要由光电传感器、前置放大电路、滤波电路、比较器等组成。
光电传感器是光电检测电路的核心部件，它能够将光信号转换成电信号。
前置放大电路可以放大光电传感器输出的微弱信号，提高信噪比；滤波电路用于抑制杂音和滤除干扰，提高电路的稳定性；比较器则可以将输出信号与阈值进行比较，判断光信号的强弱。
二、光电检测电路的设计要点1. 选择合适的光电传感器：不同的应用场景需要选择不同类型的光电传感器，比如光电开关需要选择具有高灵敏度、快速响应的传感器；光电编码器需要选择具有较高分辨率、较高信噪比的传感器。
2. 设计合理的前置放大电路：前置放大电路对于提高信噪比至关重要，需要选择合适的放大倍数和合适的放大器类型，同时要考虑电路的稳定性和抗干扰能力。
3. 合理设计滤波电路：滤波电路需要根据应用场景选择合适的滤波器类型，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器等，以滤除掉不需要的频率成分。
4. 选择合适的比较器：比较器需要选择合适的阈值电压和工作模式，以确保能够准确判断光信号的强弱。
三、光电检测电路的研究现状随着光电技术的不断发展，光电检测电路的研究也在不断深入。
目前，针对不同的应用场景，已经出现了许多高性能的光电检测电路方案，比如针对高速信号检测的差分式光电检测电路、针对低功耗应用的低功耗光电检测电路等。
一些新型的光电传感器技术也在不断涌现，比如基于纳米材料的光电传感器、基于微纳加工技术的集成光电传感器等，这些新型的传感器也为光电检测电路的设计提供了新的思路和可能。
四、光电检测电路的应用展望光电检测电路在工业自动化、智能家居、医疗仪器等领域有着广泛的应用前景。
光电探测器前置放大电路研究在弱光检测中,光电探测器将接收到的光信号变为微弱的电流信号,一般为微安数量级,光电探测器通过放大器将其转变为电压信号,只有经过充分的放大和处理才能被记录下来。
加州理工学院曾对光通信中微弱光信号的检测器使用不同特性的前置放大器,给出了各种比较数据,充分说明前置电路的性能决定整个系统的优良[1]。
前置电路若设计得好,会使探测灵敏度提高,从而更好地进行实验研究;反之,不仅会把输入信号和噪声放大,同时还会混进电子器件本身带来的新噪声,这对于实际实验的影响会非常大。
基于此点,有必要对光电探测器前置电路进行深入研究。
1光电探测器光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件,是光电系统的核心组成部分,在光电系统中的作用是发现信号、测量信号,并为随后的应用提取某些必要的信息。
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关[2],所以在给出性能参数时,要注明有关的工作条件,只有这样,光电探测器才能互换使用。
主要工作条件有:(1辐射源的光谱分布很多光电探测器,特别是光子探测器,其响应是辐射波长的函数,仅对一定波长范围内的辐射有信号输出。
这种称为光谱响应的“信号依赖于辐射波长”的关系,决定了探测器探测特定目标的有效程度。
所以在说明探测器的性能时,一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。
如果辐射源是单色辐射,则需给出辐射波长。
假如辐射源是黑体,就要指明黑体的温度。
当辐射经过调制时,则要说明调制频率。
(2电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能,噪声电压或电流均正比于带宽的平方根,所以在描述探测器的性能时,必须明确通频带和带宽。
(3工作温度许多探测器,特别是用半导体材料制作的探测器,无论是信号还是噪声,都与工作温度有密切关系。
所以必须明确工作温度。
最通用的工作温度是:室温(295K、干冰温度(195K、液氮温度(77K、液氯温度(4.2K以及液氢温度(20.4K。
(4光敏面尺寸探测器的信号和噪声都与光敏面积有关,大部分探光电探测器前置放大电路研究高科,孙晶华(哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:在弱光检测中,光经过光电探测器转换为电信号,此信号极其微弱。
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。
然后采用电子学、信息论、及物等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。
1 光电检测电路的基本构成光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图1所示。
2 光电二极管的工作模式与等效模型2．1 光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。
收稿日期:2009-12-07基金项目:光电系统信息控制技术国家级重点实验室基金(9140C150101090C1502)作者简介:胡涛(1979-),男,工程师,主要研究方向为模拟信号检测、数字信号处理.#电路与控制#光电探测器前置放大电路设计与研究胡 涛,司汉英(光电系统信息控制技术国家级重点实验室,河北 三河 065201)摘 要:光电探测器前置放大电路设计的好坏直接影响到整个系统的探测精度.介绍了光电探测器前置放大电路的设计与研究,主要阐述了光电转换电路、放大电路带宽、放大电路噪声、放大电路稳定性以及其他一些需要注意的问题,并设计了一种能够有效降低噪声和温飘,具有大的动态输入范围的放大电路.关键词:光电探测器;前置放大;光电转换;带宽;噪声;稳定性中图分类号:TN 215;TN 721 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2010)01-0052-04Design and Research of Pre -amplifier Circuit from a Photoelectric DetectorHU Tao,SI H an -ying(N ational L abor atory of Electro -Op tics Sy stem T echnology ,Sanhe 065201,China)Abstract:T he design of the pre -amplifier circuit of photoelectric detector systems can directly affect the de -tecting precision of the w hole systems.T he design of pre -am plifier circuit from a photoelectric detector was in -troduced.The photoelectric conversion circuit,amplifier circuit bandwidth,amplifier circuit noise,amplifier cir -cuit stabilization and other questions w ere mainly discussed,and an am plifier circuit capable of effectively decreas -ing the noise,the temperature drift and w ith a larg e dynamic range w as designed. Key words:photoelectric detector;pre -amplifier;electro -optic conversion;bandw idth;noise;stabilization 前置放大电路是把接收到的光信号转换成电信号,并对电信号进行放大,再与后面的信号处理系统对接.前置放大电路在整个光电探测系统中是非常重要的,它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏.在前置放大电路中,光信号和电信号要受到很多噪声的干扰.由于接收的光信号和转换后的电信号通常都比较微弱,很容易淹没在各种噪声中,所以在设计前置放大电路时,要尽量减小噪声,提高系统的信噪比,但是提高信噪比将会使频率特性变差,所以在设计电路时,要二者兼顾考虑.运算放大器(operational am plifier)是将模拟信号放大的器件,它的应用范围极广,包括DC 放大、音频放大、视频放大、有源滤波器、模拟运算、信号变换等[1],可以说它是整个电路设计的基础.在为光电探测器设计前置放大器电路时,必须知道如何选定适当的运算放大器技术规格,来满足探测系统的设计要求.1 前置放大电路设计1.1 光电转换电路PIN 光电二极管的PN 结中间设置了一层掺杂浓度很低的本征半导体,形成P-I-N 结构,本征层的引入加大了耗尽层区的厚度,并形成强电场区.由于入射光子只能在本征层内被吸收,光生载流子在强电场作用下加速运动至N 层,因此载流子渡越时间非常短,同时,耗尽层的加宽使结电容明显减第25卷第1期2010年2月光电技术应用EL ECT RO-O PT IC T ECHNOL OGY APPL ICAT I ONVol.25,No.1Februar y.2010小,提高了响应速度[2].图1是一个标准的电流)电压转换电路,输出电压V out =I s @R.此电路的-3dB 频带宽度f c 可表示为f c =12P #C s #R(1)式中,C s 为PIN 管极间分布电容和电阻R 的分布电容以及导线分布电容之和.图1 电流)电压转换电路假如R =508,C s =5pF,就得到f c =640MH z,但这个数值仅适合于信号电流比较大的时候,一旦信号电流变小,例如I =10L A 时,仅有V out =500L V 的信号输出,这时如果仍然期望高的信噪比将难以实现.因此,要想改善信噪比,必须加大电阻R 的值.如果增大R 到100k 8,则V out =1V,信噪比肯定提高,作为交换条件,频带宽度f c 变成了320kHz,频率特性变差.所以,合理地选择PIN 管和电阻R 的阻值对于系统设计是非常重要的.1.2 放大电路的带宽光电探测器不仅要提高信噪比,还要保持激光脉冲信号的波形,因此要考虑通过信号的高频分量,要求带宽更宽.激光脉冲为高斯脉冲,是类矩形脉冲,放大器对类矩形脉冲的响应与放大器带宽有关.图2中,$f 为放大器的-3dB 带宽,S 为光电转换电路的上升时间.可以发现,脉冲宽度越窄,要求放大器的带宽越宽,否则矩形脉冲将被展宽,幅值也会下降.同时由于输出功率与噪声功率均线性增加,存在一个最佳带宽,使得信噪比最大.对于矩形脉冲若满足$f S =0.5的条件,输出的脉冲峰值功率和噪声功率比最大,可以获得最大的信噪比[3].电路带宽选择的目的就是保持信号频谱中绝大部分能量通过,而牺牲能量较低的高频分量.设定光电转换电路的上升时间为5ns,同时考虑光电转换电路的时域特性,可以得出放大器-3dB 带宽应该在100MHz,这样才能与探测器的性能合理匹配.图2 矩形脉冲通过给定带宽网络后的波形但运算放大器数据表中提供的-3dB 带宽是指当输出电压比较小,约为0.1VRMS 时测定的带宽,通常运算放大器很少只在输出振幅为小信号的范围内使用,一旦信号很大的时候,将对压摆率影响很大.如果考虑最大输出时的频率,就需要用到最大功率带宽f FP =SR P V p -p(2)式中,SR 为压摆率;V p -p 为输出振幅峰峰值.例如:AD8001的压摆率SR =1200V/L s,输出V p -p =2V 时,最大功率带宽为190MH z,而AD8001的小信号时的-3dB 带宽f -3dB=880MH z,可以看出f -3dB 和f FP 差别很大.高频电路需要数伏电压的输出和数百兆赫兹频率的输出是非常困难的,所以,在设计高速电路时最好不要使振幅过大.对于电压反馈型的运算放大电路,另一个需要考虑的参数是增益带宽积GB W .开环电压增益的倾斜以-6dB/oct 衰减时,测得的电压增益为A f 倍,该点的频率与电压增益A f 两者相乘的结果为定值增益频宽积GB W ,可表示为GB W =A f @f(3)式中,A f 为电压增益;f 为频率.虽然GBW 值越大越好,不过GB W 值较大的运算放大器其他功能普遍偏弱.在满足带宽要求的前提下,高输入阻抗、高共模抑制比、低输入偏置、低噪声是主要的设计选型因素.1.3 放大电路的噪声放大电路的噪声主要由光电探测器噪声和放大器件噪声两部分组成.(1)光电探测器噪声光电探测器中存在的噪声主要有热噪声、散粒噪声、复合噪声、温度噪声和1/f 噪声等,一般光电器件中主要的内部噪声是热噪声和散粒噪声.53第1期 胡涛等:光电探测器前置放大电路设计与研究¹热噪声:它是由自由电子在导体中随机运动产生的,由于频谱密度图较平坦,热噪声有时也称作宽带噪声,其值为V n =4kT R d v f(4)式中,k 为玻耳兹曼常数;T 为绝对温度;R d 为光电二极管的并联电阻.可以看出,温度越高,电子热运动越激烈,噪声电压就越大,同时噪声电压的均方根值与工作带宽$f 和电阻值R d 成正比.º散粒噪声:它是由PN 结中随机电流所产生的,即由PN 结载流子运动的随机变化所引起的噪声,它同频率无关,属于/白噪声0.当使用负偏压,并且硅光电二极管反向漏电严重的情况下,可以造成较大的散粒噪声.选择光电二极管时需要考虑的参数有:暗电流、光电流、光谱响应特性、光响应度、探测响应时间、节电容、V -A 特性等等.为了减小放大电路的噪声,就要选择内阻大,节电容小,暗电流小,灵敏度高的光电二极管.需要特别注意的是它的暗电流,Si-PIN 管的暗电流可以小于1nA,Ge-PIN 管的暗电流在几十到几百纳安之间.(2)放大器件噪声运算放大器的噪声分析是根据运放数据表上的数据计算出运放电路的峰峰值输出噪声,而要计算出峰峰值输出噪声,首先要计算出总输出噪声(RTO )总输出噪声(RTO )=总输入噪声(RTI )@运放噪声增益其中,总输入噪声(RTI )包含运放电压源的噪声、运放电流源的噪声以及电阻噪声等.计算过程为:¹计算噪声增益以及带宽;º计算1/f 噪声和带宽噪声;»将电流噪声转换为电压噪声;¼计算电阻噪声;½计算RM S 总输入噪声;¾计算RMS 总输出噪声以及峰峰值输出噪声.OPA847运放的输入电压噪声为0.85nV/Hz,输入电流噪声为2.5pA/Hz,经过计算,运放的总输出噪声为1.317mV,峰峰值输出噪声为7.9mV.1.4 放大电路的稳定性运算放大电路产生震荡是因为输入电容和负载电容(还包括耦合电容和旁路电容)会导致相位滞后,一旦相位滞后到180b ,负反馈电路变成了正反馈电路,这时震荡就发生了.如果仅仅是运算放大器电路本身,它是稳定的,但是有了输入电容和负载电容,相位裕度变小,就容易产生震荡.要消除震荡,需要用相位补偿,就是使电路的相位裕度保持在45b ~60b 范围内.通常采用超前补偿的方式,将超前补偿电容加在反馈回路,如图3所示.图3 运放超前相位补偿电路电容C c 抵消了输入电容和负载电容的级点,产生了新的零点f 1和级点f 2f 1=12P #C c #R f ,f 2=(1+R f R 1)@f 1(5)电容C c 的取值可以参考如下的计算方法.对于使用高增益和大反馈电阻的放大电路,使用下面的等式C c =C i nGB W @R f(6)式中,C i n 为输入电容;GB W 为增益带宽积.而在满足下式的低增益或者低阻抗的情形下(1+R fR i n)[2GB W @R f @C in (7)使用下面的等式[4]C c =C in(2+2R fR in)(8)除了使用相位补偿的方法以外,还需要采取以下预防措施来避免运算放大电路产生震荡:¹把R f 和R 1与反相输入端相连的管脚尽量缩短,减小输入杂散电容;º在电源和运算放大器附近使用电源旁路电容;»避免不必要的容性负载,它们会导致附加相移.1.5 需要考虑的其他因素(1)同相放大器与反相放大器同相放大器的增益为V out =(1@R fR 2)V i n (9)反相放大器的增益为54光 电 技 术 应 用 第25卷V out=-R fR1V in(10)从输入阻抗的角度来考虑运算放大器的话,同相放大器的输入阻抗非常高,适合于用电压源驱动,而反相放大器的输入阻抗大小取决于输入电阻R1,如果电阻R1的阻值很小的话,就适合于用电流源驱动.(2)对温度漂移的控制运算放大器和探测器件对于温度的变化是非常敏感的,如果想要将其性能发挥到极致,就需要对器件进行冷却,只有这样才能体现出最优异的性能.使用由珀尔贴微型组件构成的电子冷却器是非常方便的,只要连接上电源,就可以使用.(3)运放的负载电阻使用运算放大器时,一般将晶体管、集成电路、电阻等作为负载接入输出端.如果电阻值太小会使输出电流增大,从而形成超负载状态,但电阻值太大又会形成轻负载状态.适度的负载电阻值为2~10 k8.2低噪声低温漂大动态范围放大电路设计放大电路采用压缩信号动态范围和差分放大方式.2个完全相同的PIN光电二极管连接到运放A1和A2的反相输入端,再连接到差分放大器A3的同相输入端和反相输入端上.连接运放A2的PIN 管不接收光信号,由于2个PIN管的型号及参数是完全相同的,所以它们产生的噪声也是相关的,通过差放A3之后,探测电路产生的噪声会被滤除,从而增大了系统的信噪比.如果探测器受到外界环境的影响,而产生干扰信号的话,这2个运放所产生的将会是振幅相同、相位相同、时间同步的共模信号,在差分放大器的输入端接收到共模信号后,会将共模信号滤除,从而达到消除外界环境对探测电路影响的目的.反馈端采用的是双极型晶体管,输出和输入之间为对数函数关系,使得输入信号具有很大的动态范围.双极型晶体管对温度变化敏感,但采用基准电流和片内温度补偿能够显著降低这种敏感性.放大图4低噪声低温漂大动态范围放大电路电路的输出电压为V out=A log10I inI REF(11)其中,A是差动放大器的增益,由于采用log10运算的比例,I i n/I REF确定了I in大于或小于I REF的10倍程数量,乘上A之后将产生所需的电压.3结束语研究了光电探测器前置放大电路的设计,阐述了放大电路设计过程中需要考虑的几个方面,对问题的阐述深入浅出,并配合例证加以说明,同时设计了一种低噪声低温漂大动态范围放大电路,对放大电路的系统设计是很有帮助的.参考文献[1]松井邦彦(日).OP放大器应用技巧100例[M].邓学.北京:科学出版社,2005:1.[2]陈永甫.红外辐射红外器件与典型应用[M].北京:电子工业出版社,2004:200.[3]伯广宇,戚俊,李季,等.一种基于宽带低噪声T HS4012运放的激光测高仪前置放大电路设计与实现[J].大气与环境光学学报,2007,2(4):316-320. [4]Rober t A Pease(美).模拟电路故障诊断[M].王希勤.北京:人民邮电出版社,2007:106.[5]M ultisim2001教程201.1[O B/DL].w ,2008-09-08.55第1期胡涛等:光电探测器前置放大电路设计与研究。
