微弱光信号的光电探测放大电路的设计

摘要：分析了微弱光信号放大电路的基本工作原理，针对光电探测中对微弱信号放大带来的信噪比和稳定性问题，设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出了电路参数选择方法。
关键词：光电探测；光电二极管；放大电路；噪声模型

    对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会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)光电二极管的结电容CD应尽量小，而结电阻RD应尽量大。其中CD对噪声有着重要的影响。而RD一般情况下都做的非常大，有几百兆欧，故可将其对噪声的影响忽略。
    (2)光电二极管应采取零偏压工作方式，这样可减少光电二极管的暗电流，提高检测精度。但同时，我们要注意，零偏压时，CD比反偏压工作状态下大几十倍，这又会增加电路噪声。
    (3)反馈电阻Rf在满足信号带宽的前提下应尽量大，这样有利于提高信噪比。但同时要注意到，放大器的偏置电流IB-会在反馈电阻上产生失调电压，因而Rf也不能太大。
    (4)一般需在反馈电阻上并联小电容Cs，其取值范围通常为0～0．5 pF。这样既可以降低噪声和消除振荡，又可以较好的满足信号带宽。
    (5)在满足信号带宽的情况下，应尽量选用带宽小的运放，这样更有利于减少噪声。在选用元器件时，要选用低噪声器件。
    (6)光电检测电路必须用金属外壳来屏蔽外界电磁干扰，同时外壳接地，要防止电路板上电源线对反馈环路和输入端漏电，产生噪声或漂移，输入端引线应采用高绝缘导线，如果需要，可以将放大器装配在绝缘子上，要严格连接，避免电缆振动，并尽可能缩短输入连接线路，反馈电阻不能太大，避免干扰，线路板上的布线要合理，必要时可将光电二极管和反馈电阻悬浮，与运放直接相连，以减小泄漏电流，提高检测的灵敏度。光电二极管输出端到放大器的引线距离要尽量短，并且引线尽量对称，保证阻抗基本匹配，放大器输入输出应避免交叉布线，防止相互耦合。

5 结束语
    光电二极管放大电路的设计是一件很繁琐的工作，虽然实现它的电路看起来很简单，但由于复杂的噪声表现形式，信号本身微弱，要设计一个完善的低噪声放大电路有一定难度。本文给出了该电路设计的一般原则，分析了该电路的主要噪声特性，并最终给出优化电路及元件的参数表达式，经实验验证，取得良好效果，适用于微弱光信号的检测。