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PIN-TIA光电探测器光电流检测电路的RLS去噪舒斌; 颜科; 仲顺顺【期刊名称】《《现代电子技术》》【年(卷),期】2019(042)024【总页数】5页(P1-4,10)【关键词】光电探测器; 10Gb/sPIN-TIA; 噪声分析; 噪声抑制; RLS滤波算法; 仿真分析【作者】舒斌; 颜科; 仲顺顺【作者单位】中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙 410083【正文语种】中文【中图分类】TN206-340 引言10 Gb/s PIN-TIA 光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件。
其工作原理是：PIN 的光敏面受探测光照射时，由于PN结处于反向偏置，光生载流子在电场的作用下产生漂移，在外电路产生光电流。
10 Gb/s PIN-TIA 的封装原理为：通过对10 Gb/s PIN-TIA 输出的电流进行采集检测，而10 Gb/s PIN-TIA 的输出电压大小与入射光强成正比，故通过对该电压的检测可找到最佳耦合点，并进行封装。
而光电探测器在进行光电转换过程中，会引入噪声，噪声的产生将不可避免地使转换后的电信号与原始信号相比有一定的偏差，影响信号的准确性。
而且由于二极管（PIN）产生的光电流非常微弱，常常会出现信号淹没在噪声中的情况。
因此，对于光电检测电路进行噪声分析并抑制，对于实际的10 Gb/s PIN-TIA 的稳定封装具有重要的意义。
1 光电探测电路噪声的理论分析1.1 光电探测器接收组件存在的主要噪声图1 为10 Gb/s PIN-TIA 光电探测器接收组件的内部简图。
10 Gb/s PIN-TIA 光电探测器接收组件Monitor引脚电流检测电路中，除了光电二极管产生的电流以外，还存在一些会对电路检测造成影响的噪声电流、电压。
对于该检测电路而言，噪声的来源主要有两种，即外部噪声和内部噪声[1]。
外部噪声：主要由辐射源随机波动、附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射及检测系统所受到的电磁干扰等因素。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。
1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。
(1)光伏模式，如图1 (a)。
此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。
本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。
这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。
可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。
这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。
从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。
经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。
在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。
光电探测器工作原理与性能分析光电探测器是一种能够将光电信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电通讯、光学测量、光学成像等领域。
在本文中，将对光电探测器的工作原理与性能进行分析。
一、光电探测器的工作原理光电探测器工作的基本原理是利用光电效应将光能转换为电子能，再经过电子放大及处理，将光信号转换为电信号输出。
光电探测器主要包括光敏元件、前置放大电路、信号处理电路等部分。
常见的光敏元件主要包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光电导二极管、PIN光电二极管等。
其中，光电二极管是最常用的一种，它基于外光在PN结上产生电压的原理，将光能转换为电能。
PIN光电二极管又是一种与之类似的器件，但它的灵敏度更高，特别适用于高速、低噪音、低光水平的应用。
前置放大电路则是提高探测器灵敏度的重要部分。
它通常包括高阻抗输入级、宽带放大电路、低噪声电路等。
这些器件通常采用集成电路技术实现，具有高增益、高带宽、低噪声等优点。
信号处理电路主要包括滤波电路、放大电路、比较器、微处理器等部分。
滤波电路可以去除噪声干扰，放大电路可以放大信号的幅度，比较器可以将信号转换为数字信号，微处理器则可以对数字信号进行处理及控制。
二、光电探测器的性能分析光电探测器的性能参数包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
下面将对这些性能进行分析。
1. 灵敏度灵敏度是指探测器对光的灵敏程度，它通常通过量子效率来评估。
量子效率是指进入探测器的光子转化为电的比例。
由于光电探测器的灵敏度会受到光强度、工作温度、探测器结构等多种因素的影响，因此在实际应用中需要合理设计光路及保持探测器稳定性。
2. 响应时间响应时间是指光电探测器从接收光信号到输出电信号的时间。
响应时间由前置放大电路和光敏元件上升时间之和决定，因此我们可以通过优化这些器件来提高响应时间。
在高速应用中，响应时间非常关键，因此需要选用响应时间较短的光学元件及前置放大电路。
3. 线性度线性度是指光电探测器输出与输入之间的线性关系。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案目录一、内容描述 (2)二、光电二极管基本知识 (3)1. 光电二极管的工作原理 (4)2. 光电二极管的特性与参数 (4)三、光电二极管检测电路的工作原理 (6)1. 光电检测电路的基本概念 (7)2. 光电检测电路的工作原理详解 (7)四、设计方案 (9)1. 设计目标及要求 (10)2. 电路设计 (11)（1）电路拓扑结构 (12)（2）元器件选择与参数设计 (13)3. 信号处理与放大电路 (15)（1）信号输入与处理电路 (16)（2）信号放大电路 (17)4. 电源及辅助电路设计 (18)（1）电源电路设计 (20)（2）保护及指示电路设计 (21)五、实验验证与优化 (22)1. 实验设备与工具准备 (23)2. 实验操作流程及步骤说明 (24)3. 数据记录与分析处理 (25)4. 电路性能评估与优化建议 (26)六、实际应用场景及推广价值 (27)1. 实际应用场景分析 (28)2. 推广价值及市场前景展望 (29)七、总结与展望 (30)一、内容描述光电二极管检测电路是一种基于光电效应工作的电子检测电路，主要用于检测光信号的强度或光照度。
该电路通过光电二极管将光信号转换为电信号，进而实现对光信号的测量、监控和控制。
本文将详细介绍光电二极管检测电路的工作原理及设计方案。
在光电二极管检测电路中，光电二极管作为核心元件，其工作原理主要基于光电效应。
当光线照射到光电二极管时，光子能量被材料中的电子吸收，从而使电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生光生电流。
通过测量光生电流的大小，可以反映光照度的强弱。
根据不同的应用场景和需求，光电二极管检测电路的设计方案也有所不同。
常见的设计方案包括：直接测量法：通过测量光电二极管产生的光生电流来直接反映光照度。
这种方法简单直观，但受限于光电二极管的响应速度和灵敏度，适用于低光照度测量。
信号放大法：通过对光电二极管产生的光生电流进行放大处理，可以提高测量灵敏度和精度。
-74-《国外电子元器件》2002年第9期2002年9月●MAXI M专栏低噪声APD偏置电路M AXIM公司M ehm et Nalbant徐继红1APD的特性雪崩光电检测器(APD)和PIN二极管通常被作为接收器用于光通信中。
其中APD适合于高灵敏度和高带宽的光接收电路。
但这种器件在工作时需要施加一个反向结压,这样,当接收到射线时产生的电子空穴对会被外加电场收集并转换为电流,其电流强度正比于射线强度。
另外,工作时施加在器件上的反向偏置电压会引发雪崩效应,其雪崩增益可通过改变偏压来进行调节。
这就有可能对光纤接收器的增益进行优化。
然而,要得到满意的雪崩增益,就必须给APD提供一个比较高的反向偏压。
很多APD 需要40V～60V的偏压,有些器件甚至要求高达80V 的反向电压。
另外,该增益还会随着温度的变化而改变,而且还要受到制造工艺的影响。
因此,在一个典型系统中,如果要求APD工作于恒定增益,其高压偏置电源必须能够改变,以补偿因温度和制造工艺而造成的增益变化。
同时要获得恒定的增益,APD 电源必须具有大约+0.2%/℃的温度系数(相当于约100mV/℃)。
图1给出了一个典型的a g ere1319型接收器所要求的偏置电压随温度的变化关系。
2APD电源有很多方法可使APD电源具有可变的输出电压,以补偿增益随温度的变化。
实际上APD模块内的温度测量元件本身就可以直接接入电源来调节输出电压。
在有些系统中,也可以由微控制器来读取电阻值,然后向电源发出指令以调节偏置电压。
图2所示是一个APD偏置电源的基本原理。
这个电路是基于M AX5026低噪声、固定频率PWM升压转换器而设计的,可工作于电感电流不连续模式。
该器件的开关速度被有意减慢的目的是便于降低高频电压毛刺。
同时开关速度的降低还可减小高频di/dt和dv/dt辐射。
作为辐射及耦合噪声的主要来源,它们会通过电流环以及管脚到管脚、管脚到PC B线条之间的寄生电容进入周边电路。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案光电二极管检测电路是一种将光信号转换为电信号的装置，它广泛应用于各种光学测量和控制领域。
其工作原理是基于光电二极管的光电效应，通过将光信号照射到光电二极管上，使其产生电流输出，从而实现对光信号的检测。
设计一种光电二极管检测电路需要考虑以下几个方面：1.光电二极管的选择：要根据具体的应用需求选择合适的光电二极管。
通常，选择感光面积大、光谱响应范围广、响应速度快、噪声低的光电二极管。
2.光电二极管的放大电路：由于光电二极管输出的光电流较小，需要经过放大电路放大后才能得到可用的电信号。
常见的放大电路有共射放大电路和差动放大电路。
共射放大电路适用于单端输入，输出电压幅度大，但可能存在信号漂移和温漂的问题；差动放大电路适用于双端输入，具有较高的共模抑制比，但需要两个光电二极管。
3.滤波电路和信号处理：为了滤除噪声和杂散信号，可以在输出端串联一个滤波电路，如低通滤波器或带通滤波器。
如果需要对光信号进行进一步的处理，如放大、转换、逻辑判决等，可以根据具体需求添加相应的电路模块。
4.驱动电路：光电二极管通常需要外部电路来提供正向电流，以确保其正常工作。
驱动电路可以采用简单的电流源电路，或使用恒流源，以保持光电二极管工作在恒定的工作点。
5.反馈电路：为了提高光电二极管的线性度和动态范围，可以添加反馈电路。
常见的反馈电路有负反馈和光电二极管自反馈两种。
负反馈电路可以减小非线性失真，提高稳定性和抗干扰能力；光电二极管自反馈电路可以提高光电二极管的速度和线性度。
6.实际布局和封装：在设计光电二极管检测电路时，需要考虑电路的实际布局和封装，以保证信号的完整性和稳定性。
同时，要保持电路的抗干扰能力和可靠性。
总之，光电二极管检测电路的设计需要综合考虑光电二极管的特性、放大电路、滤波电路、信号处理电路、驱动电路、反馈电路等多个方面的因素。
根据具体应用需求和预算，选择合适的器件和电路方案，并进行合理的布局和封装，可以实现高性能、低噪声和稳定可靠的光电二极管检测电路。
东北石油大学课程设计2013年3月1日第1章概述1.1光电二极管的工作原理概述光电二极管工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
1.2 基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的意义经过光电二极管转换的电信号通常都比较微弱，微弱光电信号检测的光电流一般为nA至μA级，检测微弱光电信号很容易受噪声的干扰。
若待检测的光信号非常微弱，则对电路的线性和信噪比的要求就非常高。
研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器件和前置放大电路的噪声对系统影响比较大。
例如，在靶场测试中，弹丸射击密集度是衡量低伸弹道武器性能的一项重要指标。
到目前为止，国内靶场用于密集度测量已有多种方法，最先进的方法是采用光电靶进行测量。
在设计光电检测电路时，要尽量减少噪声，提高系统的信噪比和检测分辨率。
研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器和前置放大电路的噪声对系统的影响比较大，但对噪声源的分析及设计低噪声光电检测电路的论述并不全面。
本文分析了基于光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，提出了低噪声光电二极管检测电路的设计原则与设计方法。
在测试中，光电靶的灵敏度直接影响整个系统的测量精度，而影响光电靶灵敏度的关键因素就是信号调理电路中放大电路的放大倍数和信噪比，因此设计性能良好的前置放大电路对整个测试系统有着非常重要的作用。
可见良好的低噪声光电检测电路的设计在很多方面都发挥着重要的作用。
1.3 基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的前景展望通过分析光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，征对设计过程出现的各种问题，提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法。
在设计光电检测电路时，要尽量减小噪声，提高系统的信噪比和检测分辩率。
微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，应用光电检测技术来检测微弱光信号具有精度高、稳定性好等优点。
第2章光电二极管工作原理及电路设计原理2.1 光电二极管的主要工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。
光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
光电二极管作为一种光伏探测器可以在光伏型（即物外加偏压）和光导型（即外加反向电压）两种工作模式工作。
在光导模式下，施加反向偏压后，可以增加光电二极管PN结的耗尽层宽度好和结电场，在耗尽层中产生的电子空穴对由于复合较少，在结区强电场的作用下，不必经过引起复合的扩散过程，就可以对电流作出贡献，显然提高了光电二极管的光电灵敏度。
但在这种模式下，由于给光电二极管施加了反向偏置电压，必然存在较大的暗电流，由此会产生较大的噪声电流，通常在光电通信等快速应用中应该使用该模式；而在光伏模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在等效二极管的反偏电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量。
下面详细的介绍光电二极管的光伏型工作模式。
2.2 光伏模式检测电路的分析光电二极管的光伏检测电路及其等效电路如图1。
图中i是光电二极管接受光辐射后所产PR是串联电阻，由接触电阻、非耗尽层材料的体电阻所组成，大小同光电二极生的光电流；S管尺寸、结构和偏压有关，偏压越大，耗尽区越宽，S R 越小，对于大面积的硅光电二极管，S R 的值一般在几欧姆至几十欧姆之间；j C 是光电二极管的结电容，它的大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，可从几千皮法的几千皮法之间变化；d R 是光电二极管的并联电阻，由光电二极管耗尽层电阻和污染引起的漏电阻所组成。
它也是所温度的变化而变化，与光电二极管尺寸有关，结面积越小，d R 越大；温度越高，d R 越小。
对不同光电二极管d R 的数值变化范围很大，可从几十千欧到上百兆欧；D 为PN 结等效二极管，L R 为负载电阻。
图1 光电二极管的光伏模式和等效电路在图1中，光电二极管等效电路通过等效二极管D 的电流为⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=1)ex p(1)ex p(AT U i AkT eU i i D SO D SO D (1) A 是有关常数，对于硅光电二极管e kT U 2,A T ==，称为热电压。
由图1可知，流过负载电阻L R 上的电流L i 为()()d L S L T L S L SO P RD D P L R R R i AU R R i i i i i i i +-⎭⎬⎫⎩⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=--=1exp (2) 由公式（2）可知光电二极管接受光辐射时输出的负载电流L i 和光生电流P i 并非线性关系。
如果去负载电阻为零，即输出短路的条件下，由于d s R R ，则公式（2）可化简为⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1exp T S L SO P L AU R i i i i (3) 如果二极管的反向饱和电流很小，而输出电流不大，即保持T S L AU R i 时，可得P L i i (4)即输出电流接近光生电流，也就是线性好。
因此在实际使用光电二极管进行测量时要选取d R 大、s R 小和so i 小的光电二极管，并在输出短路状态下工作。
第3章 低噪声光电检测电路设计3.1 电路的噪声分析3.1.1 热噪声由导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压或电流称热噪声，热噪声电压均方值2T U 取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽，其一般关系式为 ()df f R KT U f f T ⎰=2142(5) 式中：K 为波尔兹曼常数；T 为材料的绝对温度；()f R 为光电检测电路中的总电阻随频率f 的变化关系，纯电阻时，()f R 与频率无关，则f KTR U T ∆=42 (6)当K T 300=时，J KT 211014.4-⨯=,电阻的热噪声电压T U 和热噪声电流T I 的均方值分别为 f R f KTR U T ∆⨯=∆=-101029.14 (7) R f R f KT I T ∆⨯=∆=-101029.14 (8)式中：f ∆为噪声等效带宽。
由式(3)和式(4)可以看出，T U 和T I 与R 、T 及f ∆有关，电阻R 是主要的热噪源，在R 不变时，减少f ∆和T 的值可有效减少热噪声。
如在室温下，对于ΩK 30的电阻，如果电路的放大倍数为1，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带MHZ f 5=∆时，为V 50U T μ= (9)0.37nA I T = (10)在这种状态下，进行nw(或pw)级的测量将很困难。
由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声电压均方值2S U 和电流方值2S I 分别为 f RqI I R U S S ∆==222 (11)f qI ∆=2I 2S (12) 式中：q 为电子电荷量；I 为通过光电二极管的电流平均值，包括光电流P I 、暗电流D I 及背景光电流的平均值。
若只考虑光电流，令A 0.15I D μ=，MHZ f 5=∆，则散粒噪声电流nA 0.387I S =,电压为V 11.6U μ=。
由式(11)和式(12)可知，散粒噪声电流和电压的均方值与f ∆及I 成正比，减少f ∆和I 可有效降低散噪声。
3.1.3总噪声电流的均方值 热噪声电流和散粒噪声电流是相互独立的，则总的噪声电流N I 的均方值2N I 为2S 2T 2N I I I += (13) A 100.54RU U I 3-2S 2T N μ⨯=+= (14) 当Ω=M f 2R 时，经前置放大后的噪声电压N V 为mV f 08.1R I V N N == (15) 若直流光电流约为0.15μA ，则光电转换信噪比SNR 为2781054.015.0SNR 3=⨯==-N P I I (16)光电检测电路外部噪声包括辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流、背景起伏、杂散光的入射、振动、电源的波动及检测电路所受到的电磁干扰等。
这些噪声扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤波片、电气屏蔽、滤波及提高电源的稳定度等措施加以改善或消除。
3.1.5 放大电路的噪声分析如果光强变化属于缓变过程，可忽略硅光电二极结电容的影响。
为进一步分析讨论放大电路对检测系统的噪影响，先画出放大电路噪声等效模型，见图2,图2 放大电路噪声等效模型 其中2n e 和2n i 分别为运算放大器的均方根输入噪声电压和电流，2nRf e 为运算放大器反馈电阻产生的热噪声电压。
2n e 和2n i 分别为f e df e e n fn n ∆==⎰∆2022 (17) f i df i i n f n n ∆==⎰∆2022 (18) 式中：2n e 为运算放大器的输入噪声电压密度；2n i 为运算放大器的输入噪声电流密度。
运算放大器的噪声电压和噪声电流对组合电路的影响，可视为图2中运算放大器输入噪声电压源和声电流源的作用，它们对于组合电路输出端噪声电压的贡献E n1、E n2分别为f f n f n f n C R i fR i R i 2E 2222n1=∆== (19) f f dnd f n C R Re R fR e 2E 222n2=∆= (20) 运算放大器存在失调电压和失调电流，其值随温度漂移，虽然在电路调整时能加以补偿，但是温漂的影响将在电路的输出端产生噪声。
失调电压和失调电流的温漂对放大电路输出的贡献ETU 、ETI 分别为d fU TU R tR E ∆=α (21)f I TI tR E ∆=α (22)式中：U α为输入失调电压的温漂系数；I α为输入失调电流的温漂系数；Δt 为温度变化。
