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1、浙江理工大学学报,第22卷,第3期,2005年9月JournalofZhejiangSci2TechUniversityVol.22,No.3,Sept.2005文章编号:100924741(2005)0320259204光电探测微信号放大器设计霍戌文,李伟,李进,陈科(浙江理工大学院信息电子学院,杭州310018)摘要:针对光电检测中对微弱信号放大而带来的信噪比和稳定性问题,设计了一种低噪声光电信号放大电路,它具有电压、电流滤波和相位补偿功能。同时分析了电路的频率特性和噪声特性,给出了电路参数选择方法及电路稳定性检验办法。关键词:光电检测;信噪比;放大电路;噪声模型;频率特性中图分类号:
2、TN710.2文献标识码:A0引言在光电检测电路中,光电转换元件一般采用光电二极管,通过对光电二极管微弱光电流的检测,来获取光信息或其它信息(如位移、张力、压力、温度等),其原理是把调制到光载波上的有用信号解调出来,实现光信号到电信号的转换。因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的,转换后的电信号也非常微小,由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响,要做到精确测量有较大难度。因此,光电检测放大电路中抗干扰功能的设[1,2]计非常重要,它是提高信号检测灵敏度和精度的关键。另一方面,作为前置放大器必须有信号频率范围所需的带宽、高稳定性和小增益误差,以保证输出信号有高的信噪比。本文设计了实用电路,并
3、分析了噪声特性和系统稳定性。1基本电路光电二极管的光探测方式有两种结构:一是光电导模式。在这种模式下,需给光电二极管加反向偏置电压,存在暗电流Id,由此会产生较大的噪声电流,有非线性,通常应用在高速场合;二是光电压模式,在这种模式下,光电二极管处于零偏状态,不存在暗电流Id,有较低的噪声,线性好,适合于比较精确的测量。比较后采用光电压模式,具体光电检测电路如图1所示。由图1可知,这是一个电流—电压转换放大器,它把二极管探测到的光电流Is通过反馈电阻转换成输出电压Vo。图1光电检测电路分析实际电路时,必须考虑到电路中光电二极管的结电容、元件的杂散电容及[3]电路的主要噪声源等因素的影响,图2
4、给出了光电检测电路的噪声模型。图中Cd表示二极管的结电容和放大器反相输入端的复合电容,其值约十几到几百pF,二极管的结电容占主导地位。Rd表示二极管的结电阻和放大器反相输入端的复合电阻,其值可超过100MΩ。Id为二极管内阻产生的噪声电流,其值为Id=4kT(fH-fL)/Rd。Cf代表反馈电阻Rf的杂散电容,其值一般在1pF以内。En、In分别为放大器的等效输入噪声电压和等效输入噪声电流,其中En=enwfceIn(fH/fL)+fH-fL,In=inwfciIn(fH/fL)+fH-fL,收稿日期:2005-05-11基金项目:浙江省自然科学基金(Y104615)作者简介:霍戌文(19
5、69-),男,山西忻州人,大学本科,助理实验师,主要从事计算机技术应用的研究。260浙江理工大学学报2005年第22卷enw、inw分别为放大器的等效输入噪声电压密度和等效输入噪声电流密度,fce、fci分别为放大器的转角频率。Irf表示反馈电阻Rf产生的噪声电流,其值为Irf=4kT(fH-fL)/Rf。fH、fL由放大器频率特性决定。由图2可得反馈因子β=Z1(Z1+Z2),其中,Z1=Rd∥(1/j2πfCd),Z2=Rf∥j2πfCf。展开后可得1Rf1+jf/fz=1+(1)βRd1+jf/fp11式(1)中,fp=;fz=,f为信号频率。2πRfCf2π(Rd∥Rf)(Cd+C
6、f)当fnfz时,函数1/β→1/β0=1+Rf/Rd;当fmfp时,1/β∞=1+Cd/Cf,两个转折点为fz、fp。设放大器的单位增益频率为ft,则交叉频率fx=β∞ft,可得噪声电压增益An=eno/eni为An=(1/β)/(1+jf/fx)(2)图2光电检测电路噪声模型将(1)式代入(2)式后得Rf1+jf/fzAn=1+(3)Rd(1+jf/fp)(1+jf/fx)由于Cd>>Cf、Rd>>Rf,因此,fp>>fz;由(3)式可见噪声电压增益曲线有一个明显的峰值,这使基本光电二极管放大器特性变差。设放大器A→∞、交叉频率fx=β∞ft,则信号增益As=Vo/Is为:RfAs=(
7、4)(1+jf/fp)(1+jf/fx)由图2可知,In、Id和Irf的噪声增益与信号增益As一致。根据以上分析可知,要降低光电检测电路的噪声,首先,由于噪声的大小与带宽成正比,要严格限制噪声增益带宽,在满足信号增益带宽的前提下,使带宽为最小值;第二是要设法补偿由于Cd的存在而产生的极点所引起的相位滞后,以抑制噪声增益曲线的峰值;然后要选择具有低噪声enw和inw及低转角频率fce和fci的运算放大器。2改进电路设计改进
