微弱光信號的光電探測放大電路的設計

摘要：分析了微弱光信號放大電路的基本工作原理，針對光電探測中對微弱信號放大帶來的信噪比和穩(wěn)定性問題，設計了一種低噪聲光電信號放大電路，并給出了電路參數選擇方法。
關鍵詞：光電探測；光電二極管；放大電路；噪聲模型

    對于各種微弱的被測量，例如弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微流量、微壓力、微振動和微溫差等，一般都是通過相應的傳感器將其轉換為微電流或低電壓，再經放大器放大其幅值以反映被測量的大小。但是，由于被測量的信號很微弱，傳感器的本底噪聲、放大電路及測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾往往比有用信號的幅值大的多，同時，放大被測信號的過程也放大了噪聲，而且必然還會附加一些額外的噪聲，例如放大器的內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的幅值，才能提取出有用信號。本文針對檢測微弱光信號的光電二極管放大電路，綜合分析了其電路噪聲、信號帶寬及電路穩(wěn)定性，在此基礎上設計了一種低噪聲光電信號放大電路，并給出電路參數選擇方法。

1 基本電路
    光電二極管作為光探測器有兩種應用模式如圖1所示。

    (1)光伏模式，如圖1 (a)。此時，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，因而適于精密領域。本文就是以這種模式為例進行分析，實際應用中，這個電路一般還需在Rf上并聯一個小電容Cs，從而使電路穩(wěn)定。
    (2)光導模式，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，產生噪聲電流，同時因為非線性，一般應用在高速場合。
    當光照射到光電二極管時，光電二極管產生一個與照明度成比例的微弱電流Ip，該電流流過跨接在放大器負輸入端和輸出端的反饋電阻Rf，將運算放大器視為理想放大器，根據理想運算放大器輸入端的“虛斷”特性，從而有E0=IpRf?？梢钥闯觯怆姸O管放大電路實際上是一個I／V轉換電路。這個電路看起來非常簡單，只需一個反饋電阻，一個光電二極管和一個放大器便可實現。從輸出電壓的線性表達式很容易推出，使反饋電阻Rf增大，將使得輸出電壓也成比例的增大。經之前分析時，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的帶寬，而且影響整個電路噪聲。

2 電路噪聲分析
    作為光電二極管放大器，I／V轉換器有一個很復雜的噪聲表現。基本噪聲元件來自于反饋電阻、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為光電二極管結電容，RD為光電二極id管結電阻。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為反饋電阻產生的熱噪聲源。其中由電阻產生的熱噪聲，K=13．8×10-19J／°K，T為開爾文溫度，K為玻耳茲曼常數，由偏置電流產的失調噪聲為，q為電子點電荷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產生的噪聲電壓enoe則受放大器工作頻率影響，其增益與信號增益的幅頻特性如圖3所示。

    在直流段和較低頻率時噪聲電壓的放大倍數為1+Rf／RD，由于Rf<<1，因此開始此階段近似等于1，隨著頻率的增加(轉折頻率為fzf=1／[2πRf(ci+cs)]，噪聲增益曲線首先由于CD的作用開始升高，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，一般近視認為Ci≈CD。由此可見，RD越大，CD越小，對噪聲的影響越小，而加入Cs可限制高頻段的噪聲增益。從圖中還可知，信號帶寬為fpf=1／(2πRfCs)，可知，Rf阻值太大的話，會嚴重影響信號帶寬。因此，選擇Rf時，要同時考慮電路閉環(huán)增益和信號帶寬，從中選擇一個合理的阻值。

3 優(yōu)化電路設計
    經光電二極管轉換的電信號通常都很微弱，很容易受外界噪聲的干擾。因此放大電路中對噪聲的抑制變得極關重要。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上并聯一個電容Cf，使得噪聲增益變?yōu)?+Ci／(Cs+Cf)。實驗驗證，加上Cf并沒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環(huán)增益帶寬。理想情況是使放大器的開環(huán)增益減少到信號帶寬的截止點，不過這對放大器的選擇變得非常有限。二是通過退耦相位補償的方法減少噪聲帶寬，其電路原理如圖4所示。

    電路在放大器的輸出和探測電路的輸出之間加了一個RC低通濾波電路，濾掉經過放大的噪聲和放大器本身的噪聲。電容Cc用來補償Rc濾波電路帶來的相位滯后。電容Cs用來補償因光電二極管結電容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，一般根據經驗取值，通常認為Ro≈50 Ω，，。調整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帶寬。

4 低噪聲光電二極管放大電路的設計原則
    通過以上的分析，總結出低噪聲光電二極管放大電路設計原則如下：
    (1)光電二極管的結電容CD應盡量小，而結電阻RD應盡量大。其中CD對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，故可將其對噪聲的影響忽略。
    (2)光電二極管應采取零偏壓工作方式，這樣可減少光電二極管的暗電流，提高檢測精度。但同時，我們要注意，零偏壓時，CD比反偏壓工作狀態(tài)下大幾十倍，這又會增加電路噪聲。
    (3)反饋電阻Rf在滿足信號帶寬的前提下應盡量大，這樣有利于提高信噪比。但同時要注意到，放大器的偏置電流IB-會在反饋電阻上產生失調電壓，因而Rf也不能太大。
    (4)一般需在反饋電阻上并聯小電容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帶寬。
    (5)在滿足信號帶寬的情況下，應盡量選用帶寬小的運放，這樣更有利于減少噪聲。在選用元器件時，要選用低噪聲器件。
    (6)光電檢測電路必須用金屬外殼來屏蔽外界電磁干擾，同時外殼接地，要防止電路板上電源線對反饋環(huán)路和輸入端漏電，產生噪聲或漂移，輸入端引線應采用高絕緣導線，如果需要，可以將放大器裝配在絕緣子上，要嚴格連接，避免電纜振動，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，必要時可將光電二極管和反饋電阻懸浮，與運放直接相連，以減小泄漏電流，提高檢測的靈敏度。光電二極管輸出端到放大器的引線距離要盡量短，并且引線盡量對稱，保證阻抗基本匹配，放大器輸入輸出應避免交叉布線，防止相互耦合。

5 結束語
    光電二極管放大電路的設計是一件很繁瑣的工作，雖然實現它的電路看起來很簡單，但由于復雜的噪聲表現形式，信號本身微弱，要設計一個完善的低噪聲放大電路有一定難度。本文給出了該電路設計的一般原則，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表達式，經實驗驗證，取得良好效果，適用于微弱光信號的檢測。