微弱光信号的光电探测放大电路的设计

附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。

1 基本电路

光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。

　

(1)光伏模式，如图1 (a)。此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。

(2)光导模式，如图1(b)。这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。

当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的"虚断"特性，从而有E0=IpRf。可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。

2 电路噪声分析

作为光电二极管放大器，I／V转换器有一个很复杂的噪声表现。基本噪声元件来自于反馈电阻、放大器的输入噪声电流和放大器的输入噪声电压。其噪声模型如图2所示。

　　其中：

CD为光电二极管结电容，RD为光电二极id管结电阻。Cia为放大器的输入差模电容和输入共模电容。Cs为消除振荡的反馈电容，典型值为0．5 pF。ini为放大器的输入噪声电流源，eni为放大器的输入噪声电压源，enR为反馈电阻产生的热噪声源。其中由电阻产生的热噪声，K=13．8×10-19J／°K，T为开尔文温度，K为玻耳兹曼常数，由偏置电流产的失调噪声为，q为电子点电荷q=1．6×10-19C，IB-为偏置电流。以上两种噪声不受放大器工作频率影响。而噪声源eni产生的噪声电压enoe则受放大器工作频率影响，其增益与信号增益的幅频特性如图3所示。

　

在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为1+Rf／RD，由于Rf<<1，因此开始此阶段近似等于1，随着频率的增加(转折频率为fzf=1／[2πRf(ci+cs)]，噪声增益曲线首先由于CD的作用开始升高，直至由于电容Cs的作用而停止；在高频段，噪声增益被限定在1+Ci／Cs(Ci=CD+ Cia)，由于Cia比较小，一般近视认为Ci≈CD。由此可见，RD越大，CD越小，对噪声的影响越小，而加入Cs可限制高频段的噪声增益。从图中还可知，信号带宽为fpf=1／(2πRfCs)，可知，Rf阻值太大的话，会严重影响信号带宽。因此，选择Rf时，要同时考虑电路闭环增益和信号带宽，从中选择一个合理的阻值。

3 优化电路设计

经光电二极管转换的电信号通常都很微弱，很容易受外界噪声的干扰。因此放大电路中对噪声的抑制变得极关重要。从图3可以看出，减少噪声有两种措施，一种是减少噪声增益。在反馈电阻Rf上并联一个电容Cf，使得噪声增益变为1+Ci／(Cs+Cf)。实验验证，加上Cf并没有使电路的总输出噪声减少很多，只是有所减少。另外一种更为有效的抑制噪声的方法是限制噪声带宽。抑制噪声带宽有两种措施，一是减少放大器的开环增益带宽。理想情况是使放大器的开环增益减少到信号带宽的截止点，不过这对放大器的选择变得非常有限。二是通过退耦相位补偿的方法减少噪声带宽，其电路原理如图4所示。

电路在放大器的输出和探测电路的输出之间加了一个RC低通滤波电路，滤掉经过放大的噪声和放大器本身的噪声。电容Cc用来补偿Rc滤波电路带来的相位滞后。电容Cs用来补偿因光电二极管结电容CD引起的相位滞后，抑制噪声增益峰值。一般使Rc≈Ro，Ro是放大器的等效输出电阻，一般根据经验取值，通常认为Ro≈50 Ω，，。调整Cc的值可以去除振荡。这种情况下的噪声频谱图如图5所示，阴影部分为滤除的噪声。增加CL的值，将使得AOL’往左移，减少更多的噪声，但要注意不要影响信号带宽。

 

4 低噪声光电二极管放大电路的设计原则

通过以上的分析，总结出低噪声光电二极管放大电路设计原则如下：

(1)光电