微弱光信號(hào)的光電探測(cè)放大電路的設(shè)計(jì)

摘要：分析了微弱光信號(hào)放大電路的基本工作原理，針對(duì)光電探測(cè)中對(duì)微弱信號(hào)放大帶來(lái)的信噪比和穩(wěn)定性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種低噪聲光電信號(hào)放大電路，并給出了電路參數(shù)選擇方法。
關(guān)鍵詞：光電探測(cè)；光電二極管；放大電路；噪聲模型

    對(duì)于各種微弱的被測(cè)量，例如弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微流量、微壓力、微振動(dòng)和微溫差等，一般都是通過(guò)相應(yīng)的傳感器將其轉(zhuǎn)換為微電流或低電壓，再經(jīng)放大器放大其幅值以反映被測(cè)量的大小。但是，由于被測(cè)量的信號(hào)很微弱，傳感器的本底噪聲、放大電路及測(cè)量?jī)x器的固有噪聲以及外界的干擾往往比有用信號(hào)的幅值大的多，同時(shí)，放大被測(cè)信號(hào)的過(guò)程也放大了噪聲，而且必然還會(huì)附加一些額外的噪聲，例如放大器的內(nèi)部固有噪聲和外部干擾的影響，因此，只有在有效地抑制噪聲的條件下增大微弱信號(hào)的幅值，才能提取出有用信號(hào)。本文針對(duì)檢測(cè)微弱光信號(hào)的光電二極管放大電路，綜合分析了其電路噪聲、信號(hào)帶寬及電路穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種低噪聲光電信號(hào)放大電路，并給出電路參數(shù)選擇方法。

1 基本電路
    光電二極管作為光探測(cè)器有兩種應(yīng)用模式如圖1所示。

    (1)光伏模式，如圖1 (a)。此時(shí)，光電二極管處于零偏置狀態(tài)，不存在暗電流，低噪聲，線性度好，因而適于精密領(lǐng)域。本文就是以這種模式為例進(jìn)行分析，實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)電路一般還需在Rf上并聯(lián)一個(gè)小電容Cs，從而使電路穩(wěn)定。
    (2)光導(dǎo)模式，如圖1(b)。這種模式需要給光電二極管加反向偏置電壓，因而存在暗電流，產(chǎn)生噪聲電流，同時(shí)因?yàn)榉蔷€性，一般應(yīng)用在高速場(chǎng)合。
    當(dāng)光照射到光電二極管時(shí)，光電二極管產(chǎn)生一個(gè)與照明度成比例的微弱電流Ip，該電流流過(guò)跨接在放大器負(fù)輸入端和輸出端的反饋電阻Rf，將運(yùn)算放大器視為理想放大器，根據(jù)理想運(yùn)算放大器輸入端的“虛斷”特性，從而有E0=IpRf?？梢钥闯觯怆姸O管放大電路實(shí)際上是一個(gè)I／V轉(zhuǎn)換電路。這個(gè)電路看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，只需一個(gè)反饋電阻，一個(gè)光電二極管和一個(gè)放大器便可實(shí)現(xiàn)。從輸出電壓的線性表達(dá)式很容易推出，使反饋電阻Rf增大，將使得輸出電壓也成比例的增大。經(jīng)之前分析時(shí)，一般給出其典型值為100MΩ。在下面的分析我們將看到，反饋電阻不但影響信號(hào)的帶寬，而且影響整個(gè)電路噪聲。

2 電路噪聲分析
    作為光電二極管放大器，I／V轉(zhuǎn)換器有一個(gè)很復(fù)雜的噪聲表現(xiàn)?；驹肼曉?lái)自于反饋電阻、放大器的輸入噪聲電流和放大器的輸入噪聲電壓。其噪聲模型如圖2所示。

    其中：
   
   
    CD為光電二極管結(jié)電容，RD為光電二極id管結(jié)電阻。Cia為放大器的輸入差模電容和輸入共模電容。Cs為消除振蕩的反饋電容，典型值為0．5 pF。ini為放大器的輸入噪聲電流源，eni為放大器的輸入噪聲電壓源，enR為反饋電阻產(chǎn)生的熱噪聲源。其中由電阻產(chǎn)生的熱噪聲，K=13．8×10-19J／°K，T為開(kāi)爾文溫度，K為玻耳茲曼常數(shù)，由偏置電流產(chǎn)的失調(diào)噪聲為，q為電子點(diǎn)電荷q=1．6×10-19C，IB-為偏置電流。以上兩種噪聲不受放大器工作頻率影響。而噪聲源eni產(chǎn)生的噪聲電壓enoe則受放大器工作頻率影響，其增益與信號(hào)增益的幅頻特性如圖3所示。

    在直流段和較低頻率時(shí)噪聲電壓的放大倍數(shù)為1+Rf／RD，由于Rf<<1，因此開(kāi)始此階段近似等于1，隨著頻率的增加(轉(zhuǎn)折頻率為fzf=1／[2πRf(ci+cs)]，噪聲增益曲線首先由于CD的作用開(kāi)始升高，直至由于電容Cs的作用而停止；在高頻段，噪聲增益被限定在1+Ci／Cs(Ci=CD+ Cia)，由于Cia比較小，一般近視認(rèn)為Ci≈CD。由此可見(jiàn)，RD越大，CD越小，對(duì)噪聲的影響越小，而加入Cs可限制高頻段的噪聲增益。從圖中還可知，信號(hào)帶寬為fpf=1／(2πRfCs)，可知，Rf阻值太大的話，會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)帶寬。因此，選擇Rf時(shí)，要同時(shí)考慮電路閉環(huán)增益和信號(hào)帶寬，從中選擇一個(gè)合理的阻值。

3 優(yōu)化電路設(shè)計(jì)
    經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換的電信號(hào)通常都很微弱，很容易受外界噪聲的干擾。因此放大電路中對(duì)噪聲的抑制變得極關(guān)重要。從圖3可以看出，減少噪聲有兩種措施，一種是減少噪聲增益。在反饋電阻Rf上并聯(lián)一個(gè)電容Cf，使得噪聲增益變?yōu)?+Ci／(Cs+Cf)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加上Cf并沒(méi)有使電路的總輸出噪聲減少很多，只是有所減少。另外一種更為有效的抑制噪聲的方法是限制噪聲帶寬。抑制噪聲帶寬有兩種措施，一是減少放大器的開(kāi)環(huán)增益帶寬。理想情況是使放大器的開(kāi)環(huán)增益減少到信號(hào)帶寬的截止點(diǎn)，不過(guò)這對(duì)放大器的選擇變得非常有限。二是通過(guò)退耦相位補(bǔ)償?shù)姆椒p少噪聲帶寬，其電路原理如圖4所示。

    電路在放大器的輸出和探測(cè)電路的輸出之間加了一個(gè)RC低通濾波電路，濾掉經(jīng)過(guò)放大的噪聲和放大器本身的噪聲。電容Cc用來(lái)補(bǔ)償Rc濾波電路帶來(lái)的相位滯后。電容Cs用來(lái)補(bǔ)償因光電二極管結(jié)電容CD引起的相位滯后，抑制噪聲增益峰值。一般使Rc≈Ro，Ro是放大器的等效輸出電阻，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，通常認(rèn)為Ro≈50 Ω，，。調(diào)整Cc的值可以去除振蕩。這種情況下的噪聲頻譜圖如圖5所示，陰影部分為濾除的噪聲。增加CL的值，將使得AOL’往左移，減少更多的噪聲，但要注意不要影響信號(hào)帶寬。

4 低噪聲光電二極管放大電路的設(shè)計(jì)原則
    通過(guò)以上的分析，總結(jié)出低噪聲光電二極管放大電路設(shè)計(jì)原則如下：
    (1)光電二極管的結(jié)電容CD應(yīng)盡量小，而結(jié)電阻RD應(yīng)盡量大。其中CD對(duì)噪聲有著重要的影響。而RD一般情況下都做的非常大，有幾百兆歐，故可將其對(duì)噪聲的影響忽略。
    (2)光電二極管應(yīng)采取零偏壓工作方式，這樣可減少光電二極管的暗電流，提高檢測(cè)精度。但同時(shí)，我們要注意，零偏壓時(shí)，CD比反偏壓工作狀態(tài)下大幾十倍，這又會(huì)增加電路噪聲。
    (3)反饋電阻Rf在滿足信號(hào)帶寬的前提下應(yīng)盡量大，這樣有利于提高信噪比。但同時(shí)要注意到，放大器的偏置電流IB-會(huì)在反饋電阻上產(chǎn)生失調(diào)電壓，因而Rf也不能太大。
    (4)一般需在反饋電阻上并聯(lián)小電容Cs，其取值范圍通常為0～0．5 pF。這樣既可以降低噪聲和消除振蕩，又可以較好的滿足信號(hào)帶寬。
    (5)在滿足信號(hào)帶寬的情況下，應(yīng)盡量選用帶寬小的運(yùn)放，這樣更有利于減少噪聲。在選用元器件時(shí)，要選用低噪聲器件。
    (6)光電檢測(cè)電路必須用金屬外殼來(lái)屏蔽外界電磁干擾，同時(shí)外殼接地，要防止電路板上電源線對(duì)反饋環(huán)路和輸入端漏電，產(chǎn)生噪聲或漂移，輸入端引線應(yīng)采用高絕緣導(dǎo)線，如果需要，可以將放大器裝配在絕緣子上，要嚴(yán)格連接，避免電纜振動(dòng)，并盡可能縮短輸入連接線路，反饋電阻不能太大，避免干擾，線路板上的布線要合理，必要時(shí)可將光電二極管和反饋電阻懸浮，與運(yùn)放直接相連，以減小泄漏電流，提高檢測(cè)的靈敏度。光電二極管輸出端到放大器的引線距離要盡量短，并且引線盡量對(duì)稱，保證阻抗基本匹配，放大器輸入輸出應(yīng)避免交叉布線，防止相互耦合。

5 結(jié)束語(yǔ)
    光電二極管放大電路的設(shè)計(jì)是一件很繁瑣的工作，雖然實(shí)現(xiàn)它的電路看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但由于復(fù)雜的噪聲表現(xiàn)形式，信號(hào)本身微弱，要設(shè)計(jì)一個(gè)完善的低噪聲放大電路有一定難度。本文給出了該電路設(shè)計(jì)的一般原則，分析了該電路的主要噪聲特性，并最終給出優(yōu)化電路及元件的參數(shù)表達(dá)式，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得良好效果，適用于微弱光信號(hào)的檢測(cè)。