一種程控增益前置放大電路的設計

趙延杰

【摘 要】本文分析了光電探測器工作特點，介紹了模擬開關ADG704和集成運算放大器OPA656的性能特點，設計了一種大動態范圍程控增益前置放大電路，該電路通過模擬開關控制前置放大電路增益，放大電路增益能夠達到54dB，同時進行了試驗驗證。

【關鍵詞】ADG704；OPA656；脈沖激光；前置放大

0 引言

隨著光電探測技術的發展及應用的日益廣泛，對弱信號處理能力要求更高。激光以其單色性、方向好、抗干擾能力強等優點，其在激光探測、測距等領域得到廣泛應用。激光探測系統通常由光學系統、光電探測器、低噪脈沖放大器等部分組成，主要完成激光脈沖光電轉換、信號放大及輸出。由于激光脈沖窄，頻譜寬度寬，光信號的動態范圍大等特點，要求前置放大電路具有帶寬高、響應快、動態范圍大，低噪聲等特點[1]。所以前置放大電路設計成為光電探測系統設計的重要內容。

1 光電探測器

光電二極管通常工作在兩種模式：光伏模式和光電導模式。當測量精度比速度更重要時采用光伏模式。測量速度比測量精度重要時采用光電導模式。光伏模式下，二極管零偏壓，沒有暗電流，線性輸出，低噪聲，更適用于線性小信號精密測量；光電導模式下，二極管需要反偏電壓，有暗電流，噪聲大，線性度較差，但靈敏度高、響應快[2-3]。

對于本文設計的光電探測系統而言，被檢測光信號強度變化范圍大，同時要求快速響應等特點，設計時采用光電導模式，二極管反偏置以達到對光信號快速響應的要求。

2 前置放大電路

本文采用跨阻型放大器（transresistance amplifier）設計前置放大電路。如圖1所示，前置放大電路主要有光電二極管、低噪聲放大器、反饋回路三部分組成。光電二極管將接收到的光信號通過光電轉換為光電流信號，由放大器將光電流信號進行放大輸出，反饋回路決定放大電路增益和穩定性，通過改變放大電路反饋電阻RF的大小，控制放大電路的增益。

圖1 跨阻放大電路簡圖

圖1中，IO為光電流，CD為光電二極管寄生電容，RF為跨導增益，CF為反饋電容。寄生電容、跨導增益、反饋電容等參數共同決定放大電路的頻率響應。

2.1 前置放大器

本文采用美國TI公司生產的一款低噪聲單位增益集成放大器OPA656。該放大器具有單位增益穩定、增益帶寬積為230MHz、低輸入偏置電流（2pA）、低噪聲輸入電壓噪聲（7nV/）、等特點，廣泛用于寬帶光電放大、ADC輸入緩沖、CCD輸出緩沖、采樣和控制緩沖、帶寬精密放大等領域[4]。

選用該集成運算放大器能夠實現低輸入電壓電流噪聲，快速響應，高帶寬的要求。電路設計中，為達到最大二階巴特沃斯頻率響應，其反饋極點應設置為：

根據式（1）可得到反饋電容值。

-3dB帶寬為：

下面分析放大電路噪聲特性，放大電路等效輸入電流噪聲為：

式（3）中，為等效輸入噪聲電流；為放大器的反相輸入電流噪聲；為放大器的輸入電壓噪聲；為二極管電容；4KT應等于1.6E-20J（溫度在290K時）。

電路設計中，跨阻增益分別為50KΩ、10KΩ、1KΩ，根據式（1）至（3），計算不同增益情況下，電路反饋電容、帶寬及噪聲如下：

表1 反饋電容與反饋電阻及帶寬

從表1中可得該設計中噪聲大于放大器自身噪聲參數1.3 pA/，該設計電路中噪聲滿足要求。

模擬輸入信號選擇開關

前置放大電路設計要滿足輸入動態范圍大，輸出動態范圍小，高增益等要求，需要根據信號強弱控制增益放大倍數，使得輸出信號大小保持在合適的范圍內。本設計中采用模擬輸入信號選擇開關切換跨阻增益，使得輸出信號能夠滿足后端處理電路要求。

ADG704是美國Analog Device公司生產的4路模擬輸入信號選擇芯片，其控制信號選擇管腳為A0、A1，通過A1A0組成不同的數字組合，可以選通4路開關中的1路。該芯片具有很小的導通電阻（2.5Ω），高帶寬（200MHz），開關導通截止時間短，功耗低等優點，廣泛應用于電源系統、通信系統，視頻開關等方面。真值表如表2所示。

表2 ADG704真值表

3 試驗結果

增益控制設計思想：通過判斷輸出電壓信號VO，模擬開關ADG704選擇不同跨阻，實現對輸出電壓信號進行衰減，保證輸出信號始終在290mV-3V之間。當輸出信號小于290mV時，通過控制電路輸入A1A0組合選擇開關中的一個閉合，選擇電阻值較大的RF；無信號時，控制電路輸入A1A0組合選擇50KΩ，電路始終處于增益最大位置。當輸出電壓信號大于3V時，控制電路輸入A1A0組合，依次選擇電阻值較小的，直至電路飽和輸出電壓3V。

試驗主要驗證，輸出處于臨界點時，模擬開關ADG704切換電阻后是否能夠滿足設定要求，即反饋電阻為R1、R2、R3時，保證輸出電壓信號范圍始終在290mV-3V之間，試驗結果如下表3所示：

表3 增益切換前后放大電路輸出信號幅值

從表3可以看出，增益電阻為50 KΩ，輸出達到2.96V時切換增益電阻為10KΩ，輸出信號幅值衰減5倍；增益電阻為10KΩ，輸出達到2.98V時切換增益電阻為1KΩ，輸出信號幅值衰減10倍；該放大電路能夠檢測到光電流信號范圍為6μ-3mA，輸入信號動態范圍為54dB，輸出信號的動態范圍為20dB。

4 結論

本文從理論上詳細分析了程控增益前置放大電路的特點及噪聲特性，并以其為指導以OPA656和ADG704為例，設計測試了程控增益前置放大電路，測試結果表明，設計電路具有輸出線性良好及結構簡單的優點。該程控增益放大電路實現了大動態范圍輸入，小動態范圍輸出的功能。對微弱光電信號檢測系統前置放大電路的設計，具有一定的參考意義。

【參考文獻】

[1]安毓英，曾曉東.光電探測原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[2]Narayan D T. Photodiode characteristics [Z]. United States： UDT Sensors Inc，2000.

[3]戈文杰，喻杰奎，胡強高，江毅.微弱光信號檢測系統的研究[J].光通信研究，2013，177（3）：51-53.

[4]李日安，何海光.OPA656在激光接收中的應用[J].新特器件應用，2008，10（3）：19-20.

[責任編輯：龐修平]

【摘 要】本文分析了光電探測器工作特點，介紹了模擬開關ADG704和集成運算放大器OPA656的性能特點，設計了一種大動態范圍程控增益前置放大電路，該電路通過模擬開關控制前置放大電路增益，放大電路增益能夠達到54dB，同時進行了試驗驗證。

【關鍵詞】ADG704；OPA656；脈沖激光；前置放大

0 引言

隨著光電探測技術的發展及應用的日益廣泛，對弱信號處理能力要求更高。激光以其單色性、方向好、抗干擾能力強等優點，其在激光探測、測距等領域得到廣泛應用。激光探測系統通常由光學系統、光電探測器、低噪脈沖放大器等部分組成，主要完成激光脈沖光電轉換、信號放大及輸出。由于激光脈沖窄，頻譜寬度寬，光信號的動態范圍大等特點，要求前置放大電路具有帶寬高、響應快、動態范圍大，低噪聲等特點[1]。所以前置放大電路設計成為光電探測系統設計的重要內容。

1 光電探測器

光電二極管通常工作在兩種模式：光伏模式和光電導模式。當測量精度比速度更重要時采用光伏模式。測量速度比測量精度重要時采用光電導模式。光伏模式下，二極管零偏壓，沒有暗電流，線性輸出，低噪聲，更適用于線性小信號精密測量；光電導模式下，二極管需要反偏電壓，有暗電流，噪聲大，線性度較差，但靈敏度高、響應快[2-3]。

對于本文設計的光電探測系統而言，被檢測光信號強度變化范圍大，同時要求快速響應等特點，設計時采用光電導模式，二極管反偏置以達到對光信號快速響應的要求。

2 前置放大電路

本文采用跨阻型放大器（transresistance amplifier）設計前置放大電路。如圖1所示，前置放大電路主要有光電二極管、低噪聲放大器、反饋回路三部分組成。光電二極管將接收到的光信號通過光電轉換為光電流信號，由放大器將光電流信號進行放大輸出，反饋回路決定放大電路增益和穩定性，通過改變放大電路反饋電阻RF的大小，控制放大電路的增益。

圖1 跨阻放大電路簡圖

圖1中，IO為光電流，CD為光電二極管寄生電容，RF為跨導增益，CF為反饋電容。寄生電容、跨導增益、反饋電容等參數共同決定放大電路的頻率響應。

2.1 前置放大器

本文采用美國TI公司生產的一款低噪聲單位增益集成放大器OPA656。該放大器具有單位增益穩定、增益帶寬積為230MHz、低輸入偏置電流（2pA）、低噪聲輸入電壓噪聲（7nV/）、等特點，廣泛用于寬帶光電放大、ADC輸入緩沖、CCD輸出緩沖、采樣和控制緩沖、帶寬精密放大等領域[4]。

選用該集成運算放大器能夠實現低輸入電壓電流噪聲，快速響應，高帶寬的要求。電路設計中，為達到最大二階巴特沃斯頻率響應，其反饋極點應設置為：

根據式（1）可得到反饋電容值。

-3dB帶寬為：

下面分析放大電路噪聲特性，放大電路等效輸入電流噪聲為：

式（3）中，為等效輸入噪聲電流；為放大器的反相輸入電流噪聲；為放大器的輸入電壓噪聲；為二極管電容；4KT應等于1.6E-20J（溫度在290K時）。

電路設計中，跨阻增益分別為50KΩ、10KΩ、1KΩ，根據式（1）至（3），計算不同增益情況下，電路反饋電容、帶寬及噪聲如下：

表1 反饋電容與反饋電阻及帶寬

從表1中可得該設計中噪聲大于放大器自身噪聲參數1.3 pA/，該設計電路中噪聲滿足要求。

模擬輸入信號選擇開關

前置放大電路設計要滿足輸入動態范圍大，輸出動態范圍小，高增益等要求，需要根據信號強弱控制增益放大倍數，使得輸出信號大小保持在合適的范圍內。本設計中采用模擬輸入信號選擇開關切換跨阻增益，使得輸出信號能夠滿足后端處理電路要求。

ADG704是美國Analog Device公司生產的4路模擬輸入信號選擇芯片，其控制信號選擇管腳為A0、A1，通過A1A0組成不同的數字組合，可以選通4路開關中的1路。該芯片具有很小的導通電阻（2.5Ω），高帶寬（200MHz），開關導通截止時間短，功耗低等優點，廣泛應用于電源系統、通信系統，視頻開關等方面。真值表如表2所示。

表2 ADG704真值表

3 試驗結果

增益控制設計思想：通過判斷輸出電壓信號VO，模擬開關ADG704選擇不同跨阻，實現對輸出電壓信號進行衰減，保證輸出信號始終在290mV-3V之間。當輸出信號小于290mV時，通過控制電路輸入A1A0組合選擇開關中的一個閉合，選擇電阻值較大的RF；無信號時，控制電路輸入A1A0組合選擇50KΩ，電路始終處于增益最大位置。當輸出電壓信號大于3V時，控制電路輸入A1A0組合，依次選擇電阻值較小的，直至電路飽和輸出電壓3V。

試驗主要驗證，輸出處于臨界點時，模擬開關ADG704切換電阻后是否能夠滿足設定要求，即反饋電阻為R1、R2、R3時，保證輸出電壓信號范圍始終在290mV-3V之間，試驗結果如下表3所示：

表3 增益切換前后放大電路輸出信號幅值

從表3可以看出，增益電阻為50 KΩ，輸出達到2.96V時切換增益電阻為10KΩ，輸出信號幅值衰減5倍；增益電阻為10KΩ，輸出達到2.98V時切換增益電阻為1KΩ，輸出信號幅值衰減10倍；該放大電路能夠檢測到光電流信號范圍為6μ-3mA，輸入信號動態范圍為54dB，輸出信號的動態范圍為20dB。

4 結論

本文從理論上詳細分析了程控增益前置放大電路的特點及噪聲特性，并以其為指導以OPA656和ADG704為例，設計測試了程控增益前置放大電路，測試結果表明，設計電路具有輸出線性良好及結構簡單的優點。該程控增益放大電路實現了大動態范圍輸入，小動態范圍輸出的功能。對微弱光電信號檢測系統前置放大電路的設計，具有一定的參考意義。

【參考文獻】

[1]安毓英，曾曉東.光電探測原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[2]Narayan D T. Photodiode characteristics [Z]. United States： UDT Sensors Inc，2000.

[3]戈文杰，喻杰奎，胡強高，江毅.微弱光信號檢測系統的研究[J].光通信研究，2013，177（3）：51-53.

[4]李日安，何海光.OPA656在激光接收中的應用[J].新特器件應用，2008，10（3）：19-20.

[責任編輯：龐修平]

【摘 要】本文分析了光電探測器工作特點，介紹了模擬開關ADG704和集成運算放大器OPA656的性能特點，設計了一種大動態范圍程控增益前置放大電路，該電路通過模擬開關控制前置放大電路增益，放大電路增益能夠達到54dB，同時進行了試驗驗證。

【關鍵詞】ADG704；OPA656；脈沖激光；前置放大

0 引言

隨著光電探測技術的發展及應用的日益廣泛，對弱信號處理能力要求更高。激光以其單色性、方向好、抗干擾能力強等優點，其在激光探測、測距等領域得到廣泛應用。激光探測系統通常由光學系統、光電探測器、低噪脈沖放大器等部分組成，主要完成激光脈沖光電轉換、信號放大及輸出。由于激光脈沖窄，頻譜寬度寬，光信號的動態范圍大等特點，要求前置放大電路具有帶寬高、響應快、動態范圍大，低噪聲等特點[1]。所以前置放大電路設計成為光電探測系統設計的重要內容。

1 光電探測器

光電二極管通常工作在兩種模式：光伏模式和光電導模式。當測量精度比速度更重要時采用光伏模式。測量速度比測量精度重要時采用光電導模式。光伏模式下，二極管零偏壓，沒有暗電流，線性輸出，低噪聲，更適用于線性小信號精密測量；光電導模式下，二極管需要反偏電壓，有暗電流，噪聲大，線性度較差，但靈敏度高、響應快[2-3]。

對于本文設計的光電探測系統而言，被檢測光信號強度變化范圍大，同時要求快速響應等特點，設計時采用光電導模式，二極管反偏置以達到對光信號快速響應的要求。

2 前置放大電路

本文采用跨阻型放大器（transresistance amplifier）設計前置放大電路。如圖1所示，前置放大電路主要有光電二極管、低噪聲放大器、反饋回路三部分組成。光電二極管將接收到的光信號通過光電轉換為光電流信號，由放大器將光電流信號進行放大輸出，反饋回路決定放大電路增益和穩定性，通過改變放大電路反饋電阻RF的大小，控制放大電路的增益。

圖1 跨阻放大電路簡圖

圖1中，IO為光電流，CD為光電二極管寄生電容，RF為跨導增益，CF為反饋電容。寄生電容、跨導增益、反饋電容等參數共同決定放大電路的頻率響應。

2.1 前置放大器

本文采用美國TI公司生產的一款低噪聲單位增益集成放大器OPA656。該放大器具有單位增益穩定、增益帶寬積為230MHz、低輸入偏置電流（2pA）、低噪聲輸入電壓噪聲（7nV/）、等特點，廣泛用于寬帶光電放大、ADC輸入緩沖、CCD輸出緩沖、采樣和控制緩沖、帶寬精密放大等領域[4]。

選用該集成運算放大器能夠實現低輸入電壓電流噪聲，快速響應，高帶寬的要求。電路設計中，為達到最大二階巴特沃斯頻率響應，其反饋極點應設置為：

根據式（1）可得到反饋電容值。

-3dB帶寬為：

下面分析放大電路噪聲特性，放大電路等效輸入電流噪聲為：

式（3）中，為等效輸入噪聲電流；為放大器的反相輸入電流噪聲；為放大器的輸入電壓噪聲；為二極管電容；4KT應等于1.6E-20J（溫度在290K時）。

電路設計中，跨阻增益分別為50KΩ、10KΩ、1KΩ，根據式（1）至（3），計算不同增益情況下，電路反饋電容、帶寬及噪聲如下：

表1 反饋電容與反饋電阻及帶寬

從表1中可得該設計中噪聲大于放大器自身噪聲參數1.3 pA/，該設計電路中噪聲滿足要求。

模擬輸入信號選擇開關

前置放大電路設計要滿足輸入動態范圍大，輸出動態范圍小，高增益等要求，需要根據信號強弱控制增益放大倍數，使得輸出信號大小保持在合適的范圍內。本設計中采用模擬輸入信號選擇開關切換跨阻增益，使得輸出信號能夠滿足后端處理電路要求。

ADG704是美國Analog Device公司生產的4路模擬輸入信號選擇芯片，其控制信號選擇管腳為A0、A1，通過A1A0組成不同的數字組合，可以選通4路開關中的1路。該芯片具有很小的導通電阻（2.5Ω），高帶寬（200MHz），開關導通截止時間短，功耗低等優點，廣泛應用于電源系統、通信系統，視頻開關等方面。真值表如表2所示。

表2 ADG704真值表

3 試驗結果

增益控制設計思想：通過判斷輸出電壓信號VO，模擬開關ADG704選擇不同跨阻，實現對輸出電壓信號進行衰減，保證輸出信號始終在290mV-3V之間。當輸出信號小于290mV時，通過控制電路輸入A1A0組合選擇開關中的一個閉合，選擇電阻值較大的RF；無信號時，控制電路輸入A1A0組合選擇50KΩ，電路始終處于增益最大位置。當輸出電壓信號大于3V時，控制電路輸入A1A0組合，依次選擇電阻值較小的，直至電路飽和輸出電壓3V。

試驗主要驗證，輸出處于臨界點時，模擬開關ADG704切換電阻后是否能夠滿足設定要求，即反饋電阻為R1、R2、R3時，保證輸出電壓信號范圍始終在290mV-3V之間，試驗結果如下表3所示：

表3 增益切換前后放大電路輸出信號幅值

從表3可以看出，增益電阻為50 KΩ，輸出達到2.96V時切換增益電阻為10KΩ，輸出信號幅值衰減5倍；增益電阻為10KΩ，輸出達到2.98V時切換增益電阻為1KΩ，輸出信號幅值衰減10倍；該放大電路能夠檢測到光電流信號范圍為6μ-3mA，輸入信號動態范圍為54dB，輸出信號的動態范圍為20dB。

4 結論

本文從理論上詳細分析了程控增益前置放大電路的特點及噪聲特性，并以其為指導以OPA656和ADG704為例，設計測試了程控增益前置放大電路，測試結果表明，設計電路具有輸出線性良好及結構簡單的優點。該程控增益放大電路實現了大動態范圍輸入，小動態范圍輸出的功能。對微弱光電信號檢測系統前置放大電路的設計，具有一定的參考意義。

【參考文獻】

[1]安毓英，曾曉東.光電探測原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[2]Narayan D T. Photodiode characteristics [Z]. United States： UDT Sensors Inc，2000.

[3]戈文杰，喻杰奎，胡強高，江毅.微弱光信號檢測系統的研究[J].光通信研究，2013，177（3）：51-53.

[4]李日安，何海光.OPA656在激光接收中的應用[J].新特器件應用，2008，10（3）：19-20.

[責任編輯：龐修平]