微弱光信號檢測電路的設計和噪聲分析

王 蒙， 劉 嘉， 閔 力

（山東省科學院激光研究所 山東 濟南 250014）

光電技術是將傳統的光學技術和現代電子技術與計算機技術相結合的一種高新技術[1]。以光電檢測電路為核心的光電技術已經廣泛的應用到軍事、工業、農業、環境科學、醫療和航天等諸多領域[2]。在光檢測電路中，光電轉換器件一般采用光電二極管，通過對光電二極管微弱光電流的檢測，來獲取光信息[3]。光檢測電路作用是將光電二極管的電流轉換為電壓輸出。在一般光信號檢測電路中，背景噪聲或干擾很大而待測信號很微弱，幾乎被噪聲淹沒。這樣使得通過光電轉換后得到的信號信噪比很小[4]。但是在一般光檢測電路中提高信噪比會使頻率特性變差。本文設計了一種新型實用光信號檢測電路，在提高信噪比的同時還具有良好的頻率特性。

圖1 光電導模式Fig.1 Photoconductionmode

1 微弱光檢測電路的設計

一個典型光電二極管是由結電容、寄生電阻和一個光生電流源構成。根據PN結理論，增大光電二極管的反偏電壓會拉長PN結的耗盡層，使結電容變小。當沒有光信號輸入時，由于偏置電壓和寄生電阻作用的結果，仍會產生一定的電流，這個電流稱為光電二極管的“暗電流”。根據光電二極管的上述特性，派生出兩種使用模式，第一種是光電壓模式。適用于檢測較弱的直流弱信號，頻率比較低、線性度好、噪聲低。第二種光電導模式。原理如圖1所示，圖中輸出電壓V0=-IsR1。

圖1電路中，給光電探測器加上了偏壓，減小了結電容，從而提高了響應速度。但是，也在寄生電阻上加了電壓，從而會產生暗電流。對于100 M的寄生電阻而言，產生的暗電流是100 nA。綜上所述，光電壓模式適用于精度敏感于速度的場合，光電導模式適用于速度敏感于精度的場合。對于交流信號而言，出于對信號響應度的要求，在本設計中采用光電導模式。

上文中提到采用光電導模式會產生暗電流，為盡量減小暗電流對檢測的影響，在本設計中增加了一片運算放大器，引入閉環伺服電路，動態補償偏置誤差。電路如圖2所示，引入電容C2的目的是抑制高頻噪聲對它檢測信號的影響。通過上述措施，在不影響檢測精度的同時又獲得了良好的響應度。對于圖2所示的光檢測電路，對運放的方向輸入端的電流噪聲特別敏感，對同向輸入端的電壓噪聲特別敏感，所以要選擇電壓電流噪聲都較小的運算放大器，在本設計中采用的運算放大器是低失真的AD8067。

2 噪聲分析

為優化電路的設計參數，減小光檢測電路的噪聲，需要對電路的噪聲進行分析。光檢測電路的噪聲主要由光電探測器噪聲和放大器件噪聲兩部分組成。

2.1 光電探測器噪聲

散粒噪聲是由PN結中隨機產生的電流造成的。是由于PN結的載流子隨機變化的運動造成的，屬于“白噪聲”，所以它與工作頻率無關。在對光電二極管加偏壓并且二極管有較大的反向漏電流的時候，會產生較大的散粒噪聲。所以在選擇光電二極管時，要特別注意它的參數，如暗電流、響應時間、PN結電容、靈敏度、光譜響應特性等。其中尤以暗電流需要特別注意。Si-PN管的暗電流可以小于1 nA，GE-PIN管的暗電流在幾十到幾百納安之間。

光電器件的噪聲在光電器件制作完成后作為器件的固有屬性不能通過電路的設計加以消除，所以本為重點討論檢測電路的噪聲。

一般光電器件中主要的內部噪聲是熱噪聲和散粒噪聲[5]。產生熱噪聲的原因是由自由電子在導體中隨機運動。由于頻譜密度圖較平坦，熱噪聲有時也稱作寬帶噪聲，其值為Vn=

2.2 光信號檢測電路的噪聲

在分析實際電路時，必須要考慮到光電二極管的PN結電容以及元器件的雜散電容等因素的影響[7-8]。在光電導模式下，光檢測電路的噪聲模型如圖3所示。

圖3 光檢測電路的噪聲模型Fig.3 Photodiode amplifer and noisemodel

圖3中R1代表光電二極管的復合電阻，C1代表運算放大器的反相輸入端對地的復合電容；C2代表電阻R2的雜散電容。C1的值會遠大于C2，R1的值會遠大于R2。

為了求出信號增益As=V0/Is和噪聲增益An=en0/eni。要先求出求出反饋因子 β，由圖 5 可知 β=Z1/（Z1+Z2），其中 Z1=R1‖（1/2πfC1），Z2=R2‖（1/2πfC2），代入可得

其中， fz=1/2π（R1‖R2）（C1+C2）， fp=1/2πR2C2。 由式中可以看出 1/β函數的低頻漸近線為 1/β0=1+R2/R1，高頻漸近線為 1/β∞=1+C1/C2，轉折頻率為 fz和 fp。 如圖 4 所示。

圖4 光檢測電路的噪聲增益和信號增益Fig.4 Noise gain for the photoelectric detection

由圖 4 可知交叉頻率 fx=β∞ft，則噪聲增益 An=（1/β）（1+j f/fx），即

當 運 算 放 大 器 的 開 環 增 益 a→∞ 時 ，有 As（ideal）=R2/（1+jf/fp），所以有信號增益

如圖5所示。

圖5 光檢測電路的信號增益Fig.5 Signal gain for the photoelectric detection

由噪聲增益公式可知，當C1的值遠大于C2，噪聲的增益曲線上會有一個明顯的峰值點，不利于系統的穩定。為增加系統的相位裕度，需要對反饋因子引入一個零點。但是降低這個峰值，也會減低信號增益的帶寬fp。Cf遠大于C2，可將 C2忽略。 則轉折頻率 fz=1/2π（R1||R2）（C1+Cf），fp=1/2πR2Cf，高頻漸近線1/β∞=1+C1/Cf。可得光檢測電路的幅頻特性圖如圖6所示。

由圖 6可知，Is在低頻時的增益為-R2。 當 f＞fp時，Is的增益開始下降，這是由于Cf的作用開始顯現。而噪聲增益卻正好相反，從fz處開始，噪聲增益開始明顯增加，在fp處達到最大值 1/β∞=1+C1/Cf。

圖6 光檢測電路的幅頻特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristic for the photoelectric detection

由上述分析可知，為減小電路的噪聲，可在后級電路中加入截止頻率為fp的低通濾波器，去掉頻率高于fp的噪聲信號。

3 測試結果

對光檢測電路的最小響應進行了測試，測試結果如表格1所示，輸入輸出曲線如圖7所示。從圖7中可以看出該電路具有很好的線性度。

表1 輸入輸出試驗數據表Tab.1 Input and output data

圖7 輸入輸出曲線Fig.7 Input-output curve

4 結束語

本文針對光電二極管的微弱電流信號設計了一種實用的微弱光信號檢測電路，通過引入閉環伺服電路減小偏置電流的影響，實現了對微弱光信號的提取和放大。同時通過對電路進行噪聲分析，得出可以通過在后級電路中加入合適截止頻率的低通濾波器，以減小光檢測電路的噪聲。該檢測電路在常溫下正常工作，而且線性度良好。該檢測電路實測輸入光功率范圍為1 nW-12 uW，本底噪聲峰峰值小于1mV，最大帶寬為3.5 MHz。但是，采用此種設計的光檢測電路的探測信號只能是交流信號，不能對直流信號進行檢測。

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