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的信噪比和穩定性問題，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、微振動和微溫差等，一般都是通過相應的傳感器將其轉換為微電流或低電壓，再經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、放大電路及測量儀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，放大被測信號的過程也放大了噪聲，而且必然還會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，光電二極管處于零偏置狀態，不存在暗電流，低噪聲，線性度好，因而適于精密領域。本文就是以這種模式為例進行分析，實際應用中，這個電路一般還需在Rf上并聯一個小電容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，產生噪聲電流，同時因為非線性，一般應用在高速場合。
當光照射到光電二極管時，光電二極管產生一個與照明度成比例的微弱電流Ip，該電流流過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。可以看出，光電二極管放大電路實際上是一個I／V轉換電路。這個電路看起來非常簡單，只需一個反饋電阻，一個光電二極管和一個放大器便可實現。從輸出電壓的線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。經之前分析時，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，而且影響整個電路噪聲。