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]的一門新興檢測技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對(duì)圖

2、1光電檢測電路模塊結(jié)構(gòu)框圖光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測,并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示[2]。光電檢測技術(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光學(xué)系統(tǒng)把待檢測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(叫做暗電流或無照電檢測的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào),同時(shí)提流)。而在零偏置時(shí)則沒有暗電流,這時(shí)二極管高檢測系統(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,而且光探測器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲一般來說,在光電精密測量中,被測信號(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,就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪

5、聲的待檢測信號(hào)。其光電檢測模塊的組成框(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)。