光电检测技术中之微弱光信号前置放大电路设计

0引言

　　光电检测技术是光学与电子学相结合而产生之一门新兴检测技术［1］。阳光电子学校维修专家分析认为：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［2］。阳光电子学校维修专家分析认为：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之非电量。阳光电子学校维修专家分析认为：它可通过光学系统把待检测之非电量信息变换成为便于接受之光学信息，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，以达到电信号输出之目之［3］。阳光电子学校维修专家分析认为：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之原因和规律，以便于进行相应之电路改进，更好地研究被噪声淹没之微弱有用信号之特点与相关性，从而了解非电量之状态。阳光电子学校维修专家分析认为：微弱信号检测之目之是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号之信噪比。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　1 光电检测电路之基本构成

　　光电探测器所接收到之信号一般都非常微弱，而且光探测器输出之信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样之微弱信号进行处理，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之电压幅度。阳光电子学校维修专家分析认为：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之待检测信号。阳光电子学校维修专家分析认为：其光电检测模块之组成框图如图1所示。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　2 光电二极管之工作模式与等效模型

　　2．1 光电二极管之工作模式

　　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所示是光电二极管之两种模式之偏置电路。阳光电子学校维修专家分析认为：图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确之线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高之切换速度，但要牺牲一定之线性。阳光电子学校维修专家分析认为：事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小之电流(叫做暗电流或无照电流1。阳光电子学校维修专家分析认为：而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管之噪声基本上是分路电阻之热噪声；在反偏置时，由于导电产生之散粒噪声成为附加之噪声源。阳光电子学校维修专家分析认为：因此，在设计光电二极管电路之过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行 优化设计，而不是对两种模式都进行 优化设计［4］。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流之影响一般都非常明显。阳光电子学校维修专家分析认为：本设计由于所讨论之待检测信号也是十分微弱之信号，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。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　2．2 光电二极管之等效电路模型

　　工作于光伏方式下之光电二极管之工作模型如图3所示，它含一个被辐射光激发之电流源、一个理想之二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。阳光电子学校维修专家分析认为：图中，IL为二极管之漏电流；ISC为二极管之电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管之寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　由于工作于该光伏方式下之光电二极管上没有压降，故为零偏置。阳光电子学校维修专家分析认为：在这种方式中，影响电路性能之关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路之频率稳定性和噪声性能。阳光电子学校维修专家分析认为：CPD是由光电二极管之P型和N型材料间之耗尽层宽度产生之。阳光电子学校维修专家分析认为：耗尽层越窄，结电容之值越大。阳光电子学校维修专家分析认为：相反，较宽之耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽之频谱响应。阳光电子学校维修专家分析认为：硅二极管结电容之数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。阳光电子学校维修专家分析认为：而光电二极管之寄生电阻RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管之偏置有关。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　与光伏电压方式相反，光导方式中之光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件之两端。阳光电子学校维修专家分析认为：当此电压加至光检测器件时，耗尽层之宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD之值。阳光电子学校维修专家分析认为：寄生电容值之减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未 优化。阳光电子学校维修专家分析认为：这个问题之折衷设计将增加二极管之漏电流IL和线性误差。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　3 电路设计

　　3．1 主放大器设计

　　众多需要检浏之微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量之转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。阳光电子学校维修专家分析认为：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之限制，因而所得到之电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。阳光电子学校维修专家分析认为：本设计中之光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压之作用，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。阳光电子学校维修专家分析认为：然而，即使是这样，而输出之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。阳光电子学校维修专家分析认为：其典型放大电路如图4所示。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　该主放大器之放大倍数为A=l＋R2/R3，其中R2为反馈电阻。阳光电子学校维修专家分析认为：为了后续电路之正常工作，设计时需要设定合理之R2和R1值，以便得到所需幅值之输出电压。阳光电子学校维修专家分析认为：即有

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