光电检测前置放大电路设计

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1、万方数据第27卷籀3期燕IlI大学学报V01．27No3型!堑!旦竺型!些咝竺些竺些一一：些翌!光电检测前置放大电路的设计DesigningofPre-amplifierCircuitofPhotodiodeMonitoring刘彬张秋婵W2月摘要从PIN光伏探测器的特性入手．设训了一种能提高电路信噪比及减小噪卢带宽的前置放大电路，并指出r没计低噪卢、高响应度光电检测电路的般原则。关键词光电枪测，前置放大，信噪比。Absn'actBasedonthefactorsofPlNphotodiodemonitoring，wcproposedapre—amplifierci

2、rcuitwhich∞nimproveSignal—to-Noiseanddecreasethebandwithofnoise，andpointedtom-]nonpfinplesindesigninglow—noise，high-responsibilityphotodiodemonJtofing．Keywordsphotodiodemonitoring，pre-amplifier,Signal—to—Noise0引言光电技术足将传统的光学技术与现代电子技术和计算机技术紧密结合在～起的一门高新技术，足获取光信息或借助于光提取其它信息(如力、温度、声音、电流、生物)

3、的重要手段。采用光电检测方法就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[1qo因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的，各种噪声的干扰直接影响有用信号的测量精度，这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高响应度、小的附加噪声、快的响应速率且具有能处理所需要的数据率的足够带宽[I-M。另外，与探测器相连的前置放大电路也应当设计合理，以获得大的动态范围和高的信噪比。本文基于这一思想在实验过程中总结设计出一种实用的前置放大电路，这一电路已被应用于高压光纤电流传感器中，并取得了较理想的效果。1基本原理半导体材料对光的吸收遵从如下指数规律“1P(x)=

4、Po[2-e““](1)式中，ⅡU)是当光的波长为仰}的吸收系数；Pu是入射于光探测器上的光功率；而爿对是在距离冲吸收的光功率。如果耗尽区的宽度为W，并考虑到光电二极管的入射面的反射率为母，那么，由于光功率的吸收而产生的平均光电泓由下式给出五；静。[1_e4](卜呦(2)其中，g是电子电荷量，^v是光子的能量。光照下，PIN光电二极管PN结的伏安特性为卢，0(e静一1)一，L(3)式中，厶为PN结的反向饱和电流，助包括外电压和光电压的实际结电压；t为玻尔兹曼常数．7为探测器的工作温度。由式(3)可得以五为参量的伏安特性曲线(如图I)。从圈中可以看出光电二极管的反向输

5、出电流与照强度成正比。图2给出了PFN光电二极管的等效电路。它2000年9月J3日收到。刘彬(LiuBm)．推秋婵(ZhangQiuehan)，燕山大学电气工程学院．秦阜岛066004(TheCollegeofE

6、etricalEngineering，YanshanUniversity,Oinhuangdao066004)。万方数据94燕山大学学报2003包括光电流‘，，暗电流L，结电阻几，结电容G的对弱电流进行放大，以驱动后级电路_[作。并联。其r1·暗电流对应了二工作电压下没有光照叫的输出电流，R沩串联电阻，其值远小于负载电阻尼，通常可以忽略。‘卜干光照／lP，

7、／图1PIN光电二极管伏安特性Fig1Volt-amperefactorofPINphotoelectricdiode尼)念性，屯p，图2PIN光电二极管的等效电路Fig2CorrespondingcircuitofPINphotoelectricdiode在应用时，要求光伏探测器工作在线性范围内。冈此必须保证尼》吼》总，器件近似以短路方式工作，其输出电流为／=10[cxp(臀)一1]-1。(4)这时，只需满足式(4)中‘《厶(‘爿。[exp(罨笋)一1])，器件趋于理想短路条件：忙一厶=铷(”为光探测器的量于效率，口=番‰)即短路电≯t冉入射于探测器上的光功率P0

8、成正比，并且不受工作温度的影响。2电路设计PIN光伏探测器的输出电流很小，易受干扰及噪声的影响，需要设计良女了的低噪声前置放大电路图3是光电转换前置放大电路。图中外反馈为T作于短路方式r的基本放大电路。这种外反馈电路可使探测器对输入的光功率具有高的分辨率和大的测量范围，并能减小电路噪声。其电压输出为K=一(5)式中，五=荔矗；伪信号频率，R．为反馈电阻。在信号频率范围内．／《五，故K=一R．厶(6)图3光电检测前置放大电路Fig3Pre-amplifiercircuitofphotodiodemonitoring因为PIN工作于短路方式，此电路大大降低PN结正向