微弱光信號(hào)前置放大電路設(shè)計(jì)new

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1、第9卷第8期Vol.9No.82007年8月設(shè)計(jì)參考Aug.2007微弱光信號(hào)前置放大電路設(shè)計(jì)12李遠(yuǎn)明,陳文濤(1.新疆八一鋼鐵股份有限公司,新疆烏魯木齊830022;2.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆烏魯木齊830021)摘要:從光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案入手,分析了其中的光電轉(zhuǎn)換二極管、前置運(yùn)算放大器、濾波電路的選取原則,給出了一個(gè)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型。研究結(jié)果表明:采用該設(shè)計(jì)方案可以有效展寬頻帶并提高信噪比。0引言圖如圖1所示。光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生[1]的一門新興檢測(cè)技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對(duì)圖

2、1光電檢測(cè)電路模塊結(jié)構(gòu)框圖光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示[2]。光電檢測(cè)技術(shù)從原理上講可2光電二極管的工作模式與等效模型以檢測(cè)一切能夠影響光量和光特性的非電量。它2.1光電二極管的工作模式可通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)把待檢測(cè)的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息,然后用光電探測(cè)器件將光光電二極管一般有兩種模式工作:零偏置工學(xué)信息量變換成電量,并進(jìn)一步經(jīng)過(guò)電路放大、作和反偏置工作,圖2所示是光電二極管的兩種處理,以達(dá)到電信號(hào)輸出的目的[3]。然后采用電模式的偏置電路。圖中,在光伏模式時(shí),光電二子學(xué)、信息論

3、、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)等方法分析噪聲極管可非常精確的線性工作;而在光導(dǎo)模式時(shí),產(chǎn)生的原因和規(guī)律,以便于進(jìn)行相應(yīng)的電路改光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度,但要犧牲一進(jìn),更好地研究被噪聲淹沒(méi)的微弱有用信號(hào)的特定的線性。事實(shí)上,在反偏置條件下,即使無(wú)光點(diǎn)與相關(guān)性,從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號(hào)照,仍有一個(gè)很小的電流(叫做暗電流或無(wú)照電檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào),同時(shí)提流)。而在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流,這時(shí)二極管高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲;在反偏置時(shí),由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲1光

4、電檢測(cè)電路的基本構(gòu)成源。因此,在設(shè)計(jì)光電二極管電路的過(guò)程中,通常是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微[4]計(jì),而不是對(duì)兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。弱,而且光探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲一般來(lái)說(shuō),在光電精密測(cè)量中,被測(cè)信號(hào)都之中,因此,要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理,一比較微弱,因此,暗電流的影響一般都非常明般都要先進(jìn)行預(yù)處理,以將大部分噪聲濾除掉,并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣,就需要通過(guò)前置放大電路、濾波電路和主放大電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪

5、聲的待檢測(cè)信號(hào)。其光電檢測(cè)模塊的組成框(a)光伏模式(b)光導(dǎo)模式收稿日期:2007-06-01圖2光電二極管的工作模式www.ecda.cn2007.851第9卷第8期Vol.9No.82007年8月ElectronicComponent&DeviceApplicationsAug.2007顯。本設(shè)計(jì)由于所討論的待檢測(cè)信號(hào)也是十分微因而所得到的電量自然是小信號(hào),一般不能直接弱的信號(hào),所以,盡量避免噪聲干擾是首要任用于采樣處理。本設(shè)計(jì)中的光電二極管前置放大務(wù),所以,設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏模式。電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用

6、,但后續(xù)電路一般為A/D轉(zhuǎn)換電路,所需電壓幅值一般為2V。然2.2光電二極管的等效電路模型而,即使是這樣,而輸出的電壓信號(hào)一般還需要工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型繼續(xù)放大幾百倍,因此還需應(yīng)用主放大電路。其如圖3所示,它包含一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源、典型放大電路如圖4所示。一個(gè)理想的二極管、結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中,IL為二極管的漏電流;ISC為二極管的電流;RPD為寄生電阻;CPD為光電二極管的寄生電容;ePD為噪聲源;RS為串聯(lián)電阻。圖4典型放大電路該主放大器的放大倍數(shù)為A=1+R2/R3,其中

7、R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作,設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)定合理的R2和R1值,以便得到所需幅值圖3光電二極管工作模型的輸出電壓。即有由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒(méi)R2U=AU=(1+)U(1)有壓降,故為零偏置。在這種方式中,影響電路oiRi1性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD,它們將影響光3.2濾波器設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。為使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔并具有良好的信噪比,設(shè)耗盡層越窄,結(jié)電容的值越大。相反,較寬的耗計(jì)時(shí)還需要用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理

8、。為保盡層(如PIN光電二極管)會(huì)表現(xiàn)出較寬的頻譜響證測(cè)量的精確性,本設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約在20或25入二階帶通濾波電路,以除去有用信號(hào)頻帶以外pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD的噪聲,包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪(也稱作“分流”電阻或“暗”電阻),則與光電聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段二極管的偏置有關(guān)。