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1、1999年第4期电测与仪表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)总第36卷第400期检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计刘卫东刘延冰刘建国华中理工大学(430074)摘要分析了PIN管光电检测电路的工作原R1理,对几种电路形式进行了噪声分析,提出了减小噪声、提高信噪比的方法。IP-E0PINA1+关键词PIN光电二极管偏置电流热噪声E0=IPR1信噪比检测电路图1PIN组成基本放大电路0引言正、负输入端正好有“虚短”(即两输入端之间电随着科学技术的发展,光电检测技术已广压差为零)的特性,这正是选用运放来检
2、测泛应用于军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医PIN管电流的原因。设运放的开环增益为A,疗卫生和民用等诸多领域。其具有能进行远距则此电路中PIN的负载电阻为R1/A,因运放离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输的特开环增益A通常很大,即使选用较大的反馈电点,还具有检测信噪比高、抗干扰能力强、信息阻R1,R1/A与PIN管的输出电阻相比也是可容量大等优点。采用光电检测方法的共同特点以忽略的。理想的运放输入端还具有“虚断”是:被研究的信息通过各种效应(机、热、声、电、(即输入端不取用电流)的特性,PIN管产生的磁)调制到光载波上,再将这些有用信号解调出
3、电流流过反馈电阻R1,使得运放的输出电压来,实现光信号→电信号的转换。各种光电检E0=IPR1,从而实现了光→电流→电压的线性测电路是实现光电变换的重要环节。本文将介变换。绍一种检测微弱光信号的PIN光电检测电路,2噪声分析笔者已将其应用于高压光纤电流传感器中,取PIN管的等效电路如图2虚线框中所示,得了较理想的效果。CD为光电二极管的结电容,RD为光电二极管1基本电路分析的等效电阻。图1所示电流放大器的噪声源可用光电二极管PIN组成的光电检测电路,用图2表示。图2中用In表示运放的输入噪声实际上是一个光→电流→电压变换器。PIN管电流,当选用偏置
4、电流为pA级的超低偏置电是光电二极管中的一种,它的结构特点是:在P流运放(如美国BB公司的OPA128,偏置电流-15型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征仅为75fA,1fA=10A)时,此噪声分量对一半导体,从而使PN结双电层的间距加宽,结电般实用的反馈电阻可以忽略不计。用en表示运容变小。这种光电二极管的特点是频带宽,可达放的输入噪声电压,CS为消除振荡的反馈电10GHz。所不足的是,管子的输出电流小,一般容。忽略In的影响,则可推导出运放的输出电只有数微安。PIN管将接收的光信号变成与之压为成比例的微弱电流信号,通过运放和与PIN串R1IP
5、R11+jωRDCDE0=+1+·en(1)联的电阻组成的放大器变换成电压信号。其基1+jωR1CSRD1+jωR1CS根据此输出表达式(1)可画出电流放大器的本电路如图1所示。信号增益与噪声增益的幅频特性,如图3所示。PIN管相当于一个电流源,当它的负载阻由图中可知,信号电流IP在直流和较低频率时抗为零时,它的输出特性最好。而理想的运放28©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net1999年第4期电测与仪
6、表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)总第36卷第400期CS声频带来减小电阻的热噪声。此时并联RC电路对噪声的影响,相当于使电阻热噪声的频谱R1分布由白噪声变窄为等效噪声带宽,enIPRDCDΔfe=1/4R1C。此时RC电路的热噪声-A1+E0UT=4kTR1Δfe。In3几种变形电路及其分析第一种变形电路如图4所示。电路在运放的同相输入端串联电阻R2来消除运放的偏置图2电流放大器噪声源电流造成的偏压误差(包括由温度引入的偏置电流漂移的影响),通常R2=R1。这种电路的缺点是电阻R2会引入热噪声,常可用
7、C2与之并联以减小噪声频带。此外,R2由于偏置电流还会引入压降,使PIN管产生暗电流。当选用偏置电流为pA级的运放时,实际应用中可忽略偏置电流的影响,故没必要引入电阻R2。CSR1图3电流放大器的幅频特性IP-A1PIN+E0变换系数为R1,随着频率的增加,CS的作用开始表现出来,信号电流的放大倍数开始下降,转R2C2折频率为1/2πR1CS。而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同,在直流段和较低频率时图4变形电路1噪声电压的放大倍数为1+R1/RD,随着频率第二种变形电路如图5所示。电路用T型的增加(转折频率为1/2πR1CD),噪声增益曲电阻网
8、络来代替反馈电阻,这种电路的优点是线首先由于CD的作用开始升高,直至由于电可以用小阻值电阻组成的T型网络,来代替大容CS的
