激光陀螺光电检测电路的低噪声设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第23卷第2期许昌学院学报V01．23．No．22004年3月JOURNALOFXUCHANGUNIVERSnYMar．．2004文章编号：1671—9824(2004)02—0016—03激光陀螺光电检测电路的低噪声设计付文羽，刘正岐2(1．陇东学院物理系，甘肃庆阳745000；2．陇东学院计算机科学系，甘肃庆阳745000)摘要：依据低噪声电路理论，利用低噪声场效应管与集成运算放大器组成复合式光电检测电路，有效地解决了探测器与负载的噪声匹配问题．实验证明：该电路具有较高的灵敏度，可以满

2、足激光陀螺的实用要求．关键词：光电检测；信噪比；噪声模型中图分类号：TN710．2文献标识码：A激光陀螺是利用环行激光谐振腔中顺、逆时针方向传播的激光频差来反映它相对惯性空间转动的一种导航器件，检测电路作为激光陀螺的重要组成部分，其主要任务是把从谐振腔中输出的微弱陀螺光信号(光电流为纳安级)进行光电转换、放大、整形、计数等，输出与陀螺转速成正比的脉冲信号，从而确定它相对于惯性空间的转速．通常利用光电二级管作为激光探测器件对信号进行光电转换、放大．由于陀螺信号很微弱时，加之前景噪声和电路热噪声的影响，严重影响了光电信号的检测．从接收信号中

3、消除或减弱干扰噪声，以获得最小非线性失真信号，提高信号检测的灵敏度就成为十分重要的问题．本文从实用电路低噪声设计的要求出发，利用低噪声场效应管与集成运算放大器组合复合式电流电压转移器电路，有效地解决了探测器与负载的噪声匹配问题，实验证明该电路具有较高的灵敏度，满足激光陀螺的实用要求．1共源极场效应管输入级工作特性分析1．1连接方式选择用场效应管作为输入级，一般有共源极和共漏极两种连接方式，理论分析可知，共源极接法的特点是可获得较大的电压放大倍数．共漏极接法的特点是输入级场效应管的栅漏极结电容C．d影响较小，没有密勒效应．两者在中频区的噪

4、声特性大体相同，而在高频区噪声特性共源极远好于共漏极⋯，根据级联放大器的噪声公式L2]En2E3Eni—I，f’．．、nt++：一¨，式中F为／7,级放大器总的噪声系数，Ei为第j级放大器总的输入噪声电压，i为第j级放大器的电压增益．为了尽可能减小后面各级(从第二级开始)的噪声对前面输入级的贡献，应尽可能增大第一级的电压增益。．很明显，两种接法中，共源极的电压增益要大于共漏极接法．所以，从前置放大器要求最大限度减小噪声出发，以共源极接法为好，这时尽管由于密勒效应使栅漏极结电容c等效到输入端的电容大约几个皮法，相对于光电二级管的十几皮法或

5、几十皮法的结电容来说影响是不大的．1．2共源极场效应管等效输入噪声估算描述场效应管噪声特性的模型如图1所示．这是共源极组态，图中栅极漏电流通过栅源结产生的散粒噪声为=2qlGaf；场效应管中多数载流子的随机运动而引起的沟道热噪声为砰：4KTCgAf；场效收稿日期：2003—04—24作者衙介：付文羽(1963一)，男，甘肃宁县人，副教授。硕士，主要从事光电检测与传感技术的应用研究工作维普资讯http://www.cqvip.com第23卷第2期付文羽，等：激光陀螺光电检测电路的低噪声设计17仆¨(u●()，，(【IJI图1共源基极场效应

6、管噪声模型应管中空间电荷层内电荷的产生和复合，使得沟道电流产生流动而引起的1／f噪声为，；=后rD／Af．其中，G为3栅极漏电流，，。为漏级工作点电流，k为由器件决定的常数，a为0．5到2之间的常数，C为÷到2之间的常数，由器件本身的性质决定．g为场效应管工作点的低频跨导．现在来计算场效应管E一，模型中的两个噪声参数E、，．根据文献L3]所述的E和，的测量方法，令图1中输入短路R。，仅推算E对输入短路噪声的贡献，即=g2·=g2·置于是=2(1—2)gm但另一方面，由于输入短路，按照图1，此时有=，；+=4KTCg+后(1—3)将(1—

7、3)式代入(1—2)中化简得：E2=4K+后(1-4)在输入开路(R一O0)条件下，求得[，2=n2qlGAf+(4KTCg)5根据文献[]论述，一般．，一膪场效应管的1／f噪声主要在低频大约1KHz时起作用，落在我们所使用的低频范围之外．故式(1—4)和式(1—5)中有关1／f噪声项可以忽略不计．于是公式可化简为=4KTCAf，(1—6)：2q，GAf+(4KTCg)Af(1-7)对于2SK212型场效应管而言，g=4mA／V，取Cg。+Cgd=4．00pF，比例常数C=1．50，，G≤0．1，当△=1．0MHz时，计算得到E=2．4

8、nV／，，=194fA／~／，输入阻抗=10。Q．因此，选择性能更优的输入级器件对于改善整个电路的噪声特性是至关重要的．2复合式场效应管电流电压转移器电路设计2，1‘复合式场效应管电流电压转换器电路组成为了