微弱光信號的光電探測放大電路的設計

摘要：分析了微弱光信號放大電路的基本工作原理，針對光電探測中對微弱信號放大帶來(lái)的信噪比和穩定性問(wèn)題，設計了一種低噪聲光電信號放大電路，并給出了電路參數選擇方法。
關(guān)鍵詞：光電探測；光電二極管；放大電路；噪聲模型

對于各種微弱的被測量，例如弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微流量、微壓力、微振動(dòng)和微溫差等，一般都是通過(guò)相應的傳感器將其轉換為微電流或低電壓，再經(jīng)放大器放大其幅值以反映被測量的大小。但是，由于被測量的信號很微弱，傳感器的本底噪聲、放大電路及測量?jì)x器的固有噪聲以及外界的干擾往往比有用信號的幅值大的多，同時(shí)，放大被測信號的過(guò)程也放大了噪聲，而且必然還會(huì )附加一些額外的噪聲，例如放大器的內部固有噪聲和外部干擾的影響，因此，只有在有效地抑制噪聲的條件下增大微弱信號的幅值，才能提取出有用信號。本文針對檢測微弱光信號的光電二極管放大電路，綜合分析了其電路噪聲、信號帶寬及電路穩定性，在此基礎上設計了一種低噪聲光電信號放大電路，并給出電路參數選擇方法。

1 基本電路
光電二極管作為光探測器有兩種應用模式如圖1所示。

(1)光伏模式，如圖1 (a)。此時(shí)，光電二極管處于零偏置狀態(tài)，不存在暗電流，低噪聲，線(xiàn)性度好，因而適于精密領(lǐng)域。本文就是以這種模式為例進(jìn)行分析，實(shí)際應用中，這個(gè)電路一般還需在Rf上并聯(lián)一個(gè)小電容Cs，從而使電路穩定。
(2)光導模式，如圖1(b)。這種模式需要給光電二極管加反向偏置電壓，因而存在暗電流，產(chǎn)生噪聲電流，同時(shí)因為非線(xiàn)性，一般應用在高速場(chǎng)合。
當光照射到光電二極管時(shí)，光電二極管產(chǎn)生一個(gè)與照明度成比例的微弱電流Ip，該電流流過(guò)跨接在放大器負輸入端和輸出端的反饋電阻Rf，將運算放大器視為理想放大器，根據理想運算放大器輸入端的“虛斷”特性，從而有E0=IpRf?？梢钥闯?，光電二極管放大電路實(shí)際上是一個(gè)I／V轉換電路。這個(gè)電路看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，只需一個(gè)反饋電阻，一個(gè)光電二極管和一個(gè)放大器便可實(shí)現。從輸出電壓的線(xiàn)性表達式很容易推出，使反饋電阻Rf增大，將使得輸出電壓也成比例的增大。經(jīng)之前分析時(shí)，一般給出其典型值為100MΩ。在下面的分析我們將看到，反饋電阻不但影響信號的帶寬，而且影響整個(gè)電路噪聲。