工程師：一種微弱光信號前置放大電路的設計

光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結合而產(chǎn)生的一門(mén)新興檢測技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對光學(xué)信號進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示。光電檢測技術(shù)從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過(guò)光學(xué)系統把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電探測器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)過(guò)電路放大、處理，以達到電信號輸出的目的。然后采用電子學(xué)、信息論、計算機及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規律，以便于進(jìn)行相應的電路改進(jìn)，更好地研究被噪聲淹沒(méi)的微弱有用信號的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號檢測的目的是從強噪聲中提取有用信號，同時(shí)提高檢測系統輸出信號的信噪比。

光電檢測電路的基本構成

光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱，而且光探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中，因此，要對這樣的微弱信號進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過(guò)前置放大電路、濾波電路和主放大電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。其光電檢測模塊的組成框圖如圖1所示。

光電二極管的工作模式與等效模型

1 光電二極管的工作模式

光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確的線(xiàn)性工作；而在光導模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現較高的切換速度，但要犧牲一定的線(xiàn)性。事實(shí)上，在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流(叫做暗電流或無(wú)照電流1。而在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲;在反偏置時(shí)，由于導電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設計光電二極管電路的過(guò)程中，通常是針對光伏或光導兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設計，而不是對兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設計。

一般來(lái)說(shuō)，在光電精密測量中，被測信號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以，設計時(shí)采用光伏模式。

2 光電二極管的等效電路模型

工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源、一個(gè)理想的二極管、結電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流;RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯(lián)電阻。

由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒(méi)有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路的頻率穩定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層越窄，結電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會(huì )表現出較寬的頻譜響應。硅二極管結電容的數值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD(也稱(chēng)作"分流"電阻或" 暗"電阻)，則與光電二極管的偏置有關(guān)。

與光伏電壓方式相反，光導方式中的光電二極管則有一個(gè)反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當此電壓加至光檢測器件時(shí)，耗盡層的寬度會(huì )增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線(xiàn)性度和失調誤差尚未最優(yōu)化。這個(gè)問(wèn)題的折衷設計將增加二極管的漏電流IL和線(xiàn)性誤差。電路設計

1 主放大器設計

眾多需要檢瀏的微弱光信號通常都是通過(guò)各種傳感器來(lái)進(jìn)行非電量的轉換，從而使檢測對象轉變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測對象本身為微弱量，同時(shí)受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號，一般不能直接用于采樣處理。本設計中的光電