微弱光信号前置放大电路设计new

《微弱光信号前置放大电路设计new》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第9卷第8期Vol.9No.82007年8月设计参考Aug.2007微弱光信号前置放大电路设计12李远明,陈文涛(1.新疆八一钢铁股份有限公司,新疆乌鲁木齐830022;2.新疆轻工职业技术学院,新疆乌鲁木齐830021)摘要:从光电检测电路设计方案入手,分析了其中的光电转换二极管、前置运算放大器、滤波电路的选取原则,给出了一个光电转换系统的设计模型。研究结果表明:采用该设计方案可以有效展宽频带并提高信噪比。0引言图如图1所示。光电检测技术是光学与电子学相结合而产生[1]的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对图

2、1光电检测电路模块结构框图光学信号进行检测,并进一步传递、储存、控制、计算和显示[2]。光电检测技术从原理上讲可2光电二极管的工作模式与等效模型以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它2.1光电二极管的工作模式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光电二极管一般有两种模式工作:零偏置工学信息量变换成电量,并进一步经过电路放大、作和反偏置工作,图2所示是光电二极管的两种处理,以达到电信号输出的目的[3]。然后采用电模式的偏置电路。图中,在光伏模式时,光电二子学、信息论

3、、计算机及物理学等方法分析噪声极管可非常精确的线性工作;而在光导模式时,产生的原因和规律,以便于进行相应的电路改光电二极管可实现较高的切换速度,但要牺牲一进,更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特定的线性。事实上,在反偏置条件下,即使无光点与相关性,从而了解非电量的状态。微弱信号照,仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电检测的目的是从强噪声中提取有用信号,同时提流)。而在零偏置时则没有暗电流,这时二极管高检测系统输出信号的信噪比。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1光

4、电检测电路的基本构成源。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光电探测器所接收到的信号一般都非常微[4]计,而不是对两种模式都进行最优化设计。弱,而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声一般来说,在光电精密测量中,被测信号都之中,因此,要对这样的微弱信号进行处理,一比较微弱,因此,暗电流的影响一般都非常明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

5、声的待检测信号。其光电检测模块的组成框(a)光伏模式(b)光导模式收稿日期:2007-06-01图2光电二极管的工作模式www.ecda.cn2007.851第9卷第8期Vol.9No.82007年8月ElectronicComponent&DeviceApplicationsAug.2007显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微因而所得到的电量自然是小信号,一般不能直接弱的信号,所以,尽量避免噪声干扰是首要任用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大务,所以,设计时采用光伏模式。电路主要起到电流转电压的作用

6、,但后续电路一般为A/D转换电路,所需电压幅值一般为2V。然2.2光电二极管的等效电路模型而,即使是这样,而输出的电压信号一般还需要工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型继续放大几百倍,因此还需应用主放大电路。其如图3所示,它包含一个被辐射光激发的电流源、典型放大电路如图4所示。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。图4典型放大电路该主放大器的放大倍数为A=1+R2/R3,其中

7、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,以便得到所需幅值图3光电二极管工作模型的输出电压。即有由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没R2U=AU=(1+)U(1)有压降,故为零偏置。在这种方式中,影响电路oiRi1性能的关键寄生元件为CPD和RPD,它们将影响光3.2滤波器设计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。为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设耗尽层越窄,结电容的值越大。相反,较宽的耗计时还需要用带通滤波器对信号进行处理

8、。为保尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响证测量的精确性,本设计在前置放大电路之后加应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25入二阶带通滤波电路,以除去有用信号频带以外pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD的噪声,包括环境噪声及由前置放大器引入的噪(也称作“分流”电阻或“暗”电阻),则与光电声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段二极管的偏置有关。