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。