指南光电旌旗灯号检测电路设计论文.docx

第三章 光电二极管检测电路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。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。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。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学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、光电二极管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)。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。一般来说, 在光电精密测量中, 被测信号都比较微弱, 因此, 暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号, 所以, 尽量避免噪声干扰是首要任务, 所以, 设计时采用光伏模式。

2.2 光电二极管的等效电路模型
工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示, 它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中, IL为二极管的漏电流; ISC为二极管的电流; RPD为寄生电阻; CPD为光电二极管的寄生电容; ePD为噪声源; RS为串联电阻。

由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降, 故为零偏置。在这种方式中, 影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD, 它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄, 结电容的值越大。相反, 较宽的耗尽层(如PIN光电二极管) 会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD (也称作“分流”电阻或“暗”电阻), 则与光电
二极管的偏置有关。与光伏电压方式相反, 光导方式中的光电二
极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时, 耗尽层的宽度会增加, 从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作, 然而, 线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。
3、电路设计
众多需要检测的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换, 从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量, 同时受各种不同传感器灵敏度的限制, 因而所得到的电量自然是小信号, 一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用, 但后续电路一般为A/D转换电路, 所需电压幅值一般为2 V。然而, 即使是这样, 而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍, 因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如图4所示。

该主放大器的放大倍数为A=1+R2/R3, 其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作, 设计时需要设定合理的R2和R1值, 以便得到所需幅值的输出电压。即有
(1)
3.2 滤波器设计
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比, 设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性, 本设计在前置放大电路之后加入二阶带通滤波电路, 以除去有用信号频带以外的噪声, 包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号, 而抑制该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如图5所示。图5中, f1、f2分别为上下限截止频率, f0为中心频率, 其频带宽度为:

式中, Q为品质因数, Q值越大, 则随着频率的变化, 增益衰减越快。这是因为中心频率一定时, Q值越大, 所通过的频带越窄, 滤波器的
选择性好。有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性, 且构成简单而且性能优良。本设计选用了去处放大器来进行设计

图6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS) 带通滤波器,其滤波电路采用有源滤波器完成, 并由二阶压控电压源(VCVS) 低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。

对于第一部分, 即低通滤波器, 系统要求的低通截止频率为fc, 其传递函数为: (2)
式中:
第二部分为高通滤波器, 系统要求的高通截止频率为fc, 其传递函数如下:
(3)
式中:

4 完整的检测电路设计
本光电检测系统设计的完整电路如图7所示。为方便表示, 电路中的R2、R3即为前面等效电路模型中的RT、RF。前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成, 这也是光电检测电路的核心部分, 其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号, 以实现数倍的放大。然而, 虽然前级放大倍数可以设计得
很大, 但由于反馈电阻会引入热噪声而限制电路的信噪比, 因此前级信号不能无限放大。

第四章噪声分析

经光电二极管转换的电信号通常都比较微弱,检测微弱光电信号很容易受噪声的干扰. 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. 前人研究结果表明,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,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. 笔者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,提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法.
1、光电二极管的噪声　
微弱光电信号检测的光电流一般为nA 至μA 级. 探测器SPICE 模型[1 ]见图1. 由图1 可见,该模型由一个被辐射光激发的电流源、二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成. 结电容Cpo 是由光电二极管的P 型和N 型材料之间的耗尽层宽度产生的,耗尽层窄,结电容的值大;相反,较宽的耗尽层表现出较宽的频谱响应;硅二极管结电容的数值范围为3 p F 到几千p F. 漏电阻RD 与光电二极管零偏或正偏有关,在室温下,该电阻可超过100 MΩ,是主要的噪声源,即图1 中的
epo ; RD 产生的噪声称为热噪声和散粒噪声电流; IP 为光电流; IS 为散粒噪声电流,与光电流、暗电流和背景电流有关; Rs 为体电阻,为10 ～ 1 000 Ω,此电阻很小,仅对电路的频率有影响. 光电二极管的主要噪声是热噪声和散粒噪声.

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[2 ] ,热噪声电压均方值U2T 取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽,其一般关系式为
(1)

式中: K 为波尔兹曼常数; T 为材料的绝对温度; R( f ) 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, R ( f ) 与频率无关,则U2T = 4 KT RΔf . (2)
　当T = 300 K时, K T = 4. 14 ×10 - 21J ,电阻的热噪声电压UT 和热噪声电流IT 的均方值[6 ]分别为
UT = 4 KT RΔf = 1. 29 ×10- 10 RΔf , (3)
. IT =4 KTΔfR= 1. 29 ×10- 10 Δf / R , (4)
式中:Δf 为噪声等效带宽. 由式(3) 和式(4) 可以看出, U T 和.I T 与R , T 及Δf 有关,电阻R 是主要的热噪声源,在R 不变时,减少Δf 和T 的值可有效减少热噪声. 如在室温下,对于30 kΩ 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Δf = 5 MHz 时,UT = 50μV ; IT = 0. 37 nA. 在这种状态下,进行nW(或pW) 级测量将很困难.
1. 2散粒噪声
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U2S和电流.I2S均方值. 分别为

式中:q 为电子电荷量; I 为通过光电二极管的光电流I P 、暗电流ID 及背景光电流的平均值. 若只考虑光电流,令ID 为0. 15μA ,Δf = 5 MHz ,则散粒噪声电流IS 为0. 387 nA ,电压为11. 6μV.由式(3) 和式(4) 可知,散粒噪声电流和电压的均方值与Δf 及I 成正比,减少Δf 和I 可有效降低散粒噪声.
1. 3总噪声电流
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.IN 的均方值.I 2N 为

Rf = 2 MΩ 时,经前置放大后的噪声电压V N 为
V N = IN Rf = 1. 08 mV . (7)
　若直流光电流约为0. 15μA ,则光电转换信噪比SNR 为
(8)
2、前置放大器的噪声
　 如果光强变化属于缓变过程, 可忽略硅光电二极管结电容的影响. 为分析放大电路对检测系统的噪声影响,先画出放大电路噪声等效模型,见图2 ,其中e2n和i2n分别为运算放大器的均方根输入噪声电压和电流, e2nRf 为运算放大器反馈电阻产生的热噪声电压. e2n
和i2n分别为
(9)
(10)

式中:e2n 为运算放大器的输入噪声电压密度; i2n 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噪声电流源的作用,它们对于组合电路输出端噪声电压的贡献En1 , En2 分别为
(11)
(12)
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

式中:αU 为输入失调电压的温漂系数;αI 为输入失调电流的温漂系数;Δt 为温度变化. 反馈电阻Rf 对输出端噪声的影响EnRf 为
(15)

各种噪声源对光电二极管与运算放大器组合电路总的影响导致电路输出噪声加大,限制了对微弱光强信号的探测. 由于各噪声互不相关,其综合影响为单独存在时的均方根值:

S 为光电二极管的灵敏度; P 为入射的光功率;

光电二极管信号电流经运算放大器后的输出Eo 为

　故电路组合的信噪比[4 ]为

　计算出光电检测电路的信噪比,修改光电检测电路的器件参数,以满足设计要求.
3、外部噪声
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.