光电转换前置放大器的噪声分析

Abstract: T his paper mainly analyzes the no ise per for mance o f preamplifier in phot oelectr ic tr ansit ion system w ith the metho d of w eak sig nal detection, and presents that a high per formance pr eamplifier in photoelect ric transition sy st em is an amplifier not o nly w ith goo d bandwidth, phase shift and enlar gement facto r perfo rmance, but a lso with go od noise perfo rmance. A criterio n is pr esented to choo se suitable light senso r and the first - stage amplifier in desig ning a lo w no ise phot oelectr ic t ransitio n preamplifier, and a low no ise conditio n is deduced to gain the high per for mance of pr eam plifier in phot oelectr ic transitio n sy stem. Keywords: photo electric t ransitio n; amplifier; noise
测试系统与组件
电 子 测 量 技 ELECT RON IC M EASU REM ENT
术 T ECH N OLOGY
第 30 卷 第 5 期 2007 年 5 月
光电转换前置放大器的噪声分析
许光明 汤建勋 王 飞
长沙 410073) ( 国防科技大学光电科学与工程学 院 摘
要 : 本文应 用微弱信号检测的方法对光电转换前置放大器的 噪声性能 进行分析 , 提出了 在设计一 个高性 能的光
图2
光电转换电路模型
2 放大器的阻抗匹配和低噪化条件
在确定了源和电路形式后, 根据电路噪声理论可以得 到用 FET 作输入级的光电转换放大器的噪声系数 F: 2 qI G 2g m 1+ X ( Cgs+ Cgd ) 2 R2 s F = 1+ R s+ # ( 7) 2 2 2K T 3Rs g2 m + X C gd 式中: q 为电子电荷, I G 为栅源漏电流, Rs 为源内阻, Cgs 、 C gd 为极间电容。 求出满足条件 : 5F = 0 5R s
许光明, 男, 1967 年出生, 国防科技大 学光电科学与工程学院副教授, 主要研究 方向为光电检测和环形激光器。 地址 : 长沙国防科技大学光电科学与工程 学院光电工程系 , 410073 E -m ail: Guangmxu@ sina. com
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许光明 等: 光电转换前置放大器的噪声分析
主要由等效输入电阻的热噪声决定。 在设计 放大系 统时为 了满 足系统 带宽 要求应 满足 下式: 1 RL< ( 3) 2P B Ci 因此应尽可能减小 C i 和 R L 的值。前面已经讲过减小 C i 主要靠选择元器件来实现, 而减小 R L 则可以采用并联 负反馈的形式来实现。采用并联负反馈不但可以降低噪 声还可以改善系统的带宽, 提高系统动态范围。 图 2 是一个简单的由光电流信号转换为电压信号的 光电转换放大电路 , 其中 Ci 是从放大器输入端看去的总的 等效输入电容, Ri 是放大器的开环输入电阻, R F 是反馈电 阻。那么系统的传递函数为: RF T ( w) = ( 4) Ci R L 1+ j X A 式中: 1 1 1 = + ( 5) RL R i RF 系统的 3 dB 截止带宽为 : A w 3dB= ( 6) R FC i 式中: A 为放大器的闭环放大倍数。对于一个实际的放大 器而言 , 通常 R i m R F , 因此 R L 主要由 R F 决定。比较式 ( 6) 和式( 3) 就知道, 对于一定的带宽 , RF 可以比 R L 大的多, 这样对于减小电路热噪声 , 提高放大倍数, 改善系统带宽 都有好处。 因此, 在设计光电转换前置放大器时应选用小结电容 和低暗电流的光敏二极管或三极管 , 采用并联负反馈的电 路形式来达到减小电路噪声, 提高放大倍数, 改善系统带 宽的目的。
第5期
下的最佳 Rs 值 , 即可得到一个最小的噪声系数, 也就是说 此时放大器系统的噪声贡献最小, 系统达到了噪声匹配。 这个最佳源内阻为: 1/ 2 1 ( R s) op t = I 2 ( 9) g 2 2 2 2 (g 2 m + X C gd ) + X ( C gs + C gd ) I2 t 式中: I g 、 I t 分别是 FET 沟道热噪声和栅极散粒噪声。满 足最佳源内阻的最小噪声系数为: 4gm F min = 1+ ( 1+ C ) ( 10) 2 2 3( g2 m + X C gd ) ( R s ) o pt 式中: C为相关系数: 1 C = ( 11) 2 2 3qI G g2 m + X C gd # 2 2+ 1 4K T gm X ( Cgs+ Cgd ) 根据式 ( 9) 、 ( 10) 可以得出要减小放大系统的噪声系 数应当选用跨导 gm 大 , 栅源泄 漏电流 I G 小及极间电 容 C gs 、 Cgd 小的场效应管。同时 , 所选的光敏元件的内阻越接 近最佳源内阻, 系统的噪声性能越好。
电转换 前置放大器时 , 不但要满足系统的带宽、 相移和放大倍数 等要求 , 也需要满 足低噪声 的要求。针 对光电 转换前 置放大 器设计中低噪化的要求 , 提出了对 光敏元 件和首 级放大 器元件的 选择标 准 , 并得到了 放大器 系统 的低噪 化条 件 , 从而使得设计出的光电转换前置放大器的噪声性能最佳 。 关键词 : 光电转 换 ; 放大 器 ; 噪声 中图分 类号 : T N29 文献标识码 : A
3 结
论
在设计光电转换前置放大器时除了要选用合适的源 和电路形式外, 还要尽量使源和首级放大器之间达到噪声 匹配, 从而使得放大器系统的噪声贡献最小, 系统的噪声 特性最佳。
参 考 文 献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] 曾 庆 勇. 微 弱 信 号 检 测 [ M ] . 杭 州: 浙 江 大 学 出 版 社 , 1986. 方 志 豪. 晶 体 管 低 噪 声 电 路 [ M ] . 北 京: 科 学 出 版 社 , 1984. N ORDH L D E H , JO NF E D. T he desig n of ex tremely low- no ise preamplifer s[ J] . IEEE, 1983. JO H NSO N J B. T hermal ag itatio n of electr icit y in conducto rs[ J] . Phy s. Rev, July , 1982, 32: 97 - 109. FISH P J. Elect ronic noise and low no ise design[ M ] . L ondon: M acmillan P ress L td, 1993. 戴逸松 . 电子系统噪声 及低噪声设 计方法 [ M ] . 吉 林 : 吉林人民出版社 , 1984. 作 者 简 介
0 引
言
本文主要就光电转换前置放大器的电路形式和噪声 性能的优化设计进行分析, 并得出一个高性能的低噪声光 电转换前置放大器应满足的条件。
1 低噪声光电放大器的噪声分析
用于高速数字通讯系统中的光电转换前置放大器要 求具有宽带、 大动态范围和低噪声的特性。那么在设计时 选择合适的光敏元件和第一级放大器的器件对于满足上 述要求是至关重要的。 图 1 是一个简单的光电转换放大器的噪声模型。
图1
Hale Waihona Puke 光电转换放大器的噪声模型图 1 中 , I R 代表整个系统的等效输入电阻 R L 的总的 热噪声 ( thermal noise) 电流 , I n1 代表源噪声电流, 主要是由 光敏元件的散粒噪声 ( shot noise) 和 1/ f 噪声组成的总的 等效噪声电流, I n 2 是放大器的等效输入噪声电流。根据电 路噪声理论可以得到系统总的噪声为: 4K T B( 2P B ) 2 C2 4K T B i I2 + 2qI n1 + ( 1) t ot al = RL gm 式中: B 为系统的带宽; K 为波尔磁曼常数; Ci 代表总的输 入等效电容。 C i = Cd + Cgs ( 2) 式中: Cd 为光敏元件的结电容 ; 即源电容 ; Cgs 为首级放大 器场效应管的栅源间电容。它们的典型值 Cd 约为 0. 5 pF, Cgs 小于 0. 5 pF 。 根据式 ( 1) 可以知道, 系统总的噪声贡献由 3 部分组 成: 系统的电阻产生的热噪声、 源产生的噪声和场效应管 产生的噪声。源产生的噪声可以通过选择小结电容和低 暗电流的光敏二极管或三极管来减小 , 而场效应管产生的 噪声也可 以通过选 择跨导 ( gm ) 大、 栅源电 容 ( Cgs ) 小 的 GaAsFET 来减小。这样 , 实际上系统总的等效输入噪声
Analysis of the noise performance of preamplifier in photoelectric transition system
Xu G uangming T ang Jianx un W ang Fei