光電檢測前置放大電路設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

朱珠

摘 要： 光電檢測前置放大電路的設(shè)計(jì)直接影響整個檢測電路的性能。選擇光電二極管在光伏模式下工作，使用低輸入偏置電流和低噪聲放大器，設(shè)計(jì)了光電檢測前置放大電路，重點(diǎn)分析了轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性，給出了轉(zhuǎn)換電路元器件參數(shù)選擇的依據(jù)。電路在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 光電二極管； 前置放大電路； 低噪聲； 穩(wěn)定性分析

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0137?03

Abstract： The design quality of pre?amplifier circuit in photoelectric detector can directly affect the properties of a whole detection system. In order to get a perfect photoelectric detection pre?amplification circuit， a photodiode working in photovoltaic mode was selected， and then a photoelectric detection pre?amplification circuit with low input bias current and low noise amplifier was designed. The stability for conversion circuit is analyzed in this paper. The basis of choosing the relevant parameters of the components in conversion circuit is given. The circuit has achieved good results in practical application.

Keywords： photodiode； pre?amplification circuit； low noise； stability analysis

0 引 言

光電檢測電路是光信號和電信號之間的橋梁，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、宇宙、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和民用[1]等諸多領(lǐng)域都需要將光的強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為電信號。例如，大米色選機(jī)、色譜分析儀、火災(zāi)探測和輻射計(jì)[1?3]等儀器或儀表都是光電檢測的具體應(yīng)用。在這些電路中，光電二極管是最常用的光探測器，光電二極管產(chǎn)生一個與照度成比例的微弱電流，前置放大器將這個微弱的電流信號放大轉(zhuǎn)換為一個易于處理的電信號[4]。

文獻(xiàn)[4?6]對光電轉(zhuǎn)換電路前置放大部分的噪聲進(jìn)行了較詳細(xì)地分析和推導(dǎo)，但過程較為復(fù)雜。本文從實(shí)用角度對檢測前置放大電路進(jìn)行研究，分析了電路設(shè)計(jì)各個方面的要點(diǎn)，給出了使用光電二極管進(jìn)行信號采集的光電信號轉(zhuǎn)換電路的分析與設(shè)計(jì)方法。

1 光電二極管模型及其轉(zhuǎn)換電路

光電二極管放大器的輸出電阻大致等于[RFAOL，]其中，[AOL]是運(yùn)放的開環(huán)增益。因此，輸出電阻會變得極小，負(fù)載效應(yīng)可以忽略。

光電二極管電流/電壓轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)放的選擇至關(guān)重要，運(yùn)放應(yīng)該具有低輸入偏置電流[IB、]低輸入失調(diào)電壓[VOS]及溫度漂移、軌到軌輸入/輸出、寬增益帶寬積GBWP、高壓擺率SR、低輸入噪聲電流密度和低輸入噪聲電壓密度的性能。

運(yùn)放的輸入偏置電流[IB]產(chǎn)生的直流輸出電壓誤差等于[IB*RF，]并且[IB]會隨溫度的上升而升高，所以較高溫度下的誤差會較大。一般的做法是通過增加一個值為[RF∥RJ]并與運(yùn)放同相輸入的并聯(lián)補(bǔ)償電阻[RC，]將電壓誤差降至[IOS*RF。]但是在高溫下，[RC]的值難以確定，因?yàn)閇RJ]的值會隨溫度的上升而顯著下降，在這種情況下，[RJ]的值可能小于[RF。]此外，當(dāng)運(yùn)放輸入噪聲電流流過[RC]時(shí)，它會產(chǎn)生噪聲電壓；另外，[RC]還會產(chǎn)生熱噪聲電壓，這兩種噪聲電壓都會被電路的噪聲增益放大，因此，輸出噪聲水平會升高。在運(yùn)放的同相輸入處， [IB]還會在[RC]上產(chǎn)生電壓，這會導(dǎo)致在反相輸入處產(chǎn)生相同的電壓。此時(shí)，偏電壓不再穩(wěn)定，將導(dǎo)致光電二極管的響應(yīng)變?yōu)榉蔷€性。因此，通過增加補(bǔ)償電阻[RC]來降低電壓誤差[IB*RF]通常不是一種有效的方法。

輸入失調(diào)電壓[VOS]產(chǎn)生的直流輸出電壓誤差等于[VOS*（1+RFRJ），]室溫下由于[RF]遠(yuǎn)小于[RJ，]所以增益約為1 V/V，因此該誤差約等于[VOS。]在高溫下，由于[RJ]的值顯著降低，增益可大于1 V/V，所以誤差可能要大得多。此外，[VOS]漂移可能會使誤差變得更大。因此，低[VOS]和低[VOS]漂移有助于降低高溫下的輸出誤差。

此外，軌到軌輸出能最大程度地提高動態(tài)輸出電壓范圍和信噪比，寬的增益帶寬積和高的壓擺率可滿足輸出階躍響應(yīng)時(shí)間的要求。

當(dāng)噪聲電流流過光電二極管放大器時(shí)，將會產(chǎn)生電阻噪聲電壓，運(yùn)放輸入電流噪聲密度由[IB]決定，因此[IB]越低，運(yùn)放輸入噪聲電流密度就越低。低輸入噪聲電壓密度對于光電二極管放大器的輸出噪聲也發(fā)揮著非常重要的作用。它會被噪聲增益放大，因此輸出噪聲水平會受到顯著影響。

3 結(jié) 語

本文給出了光電二極管的等效模型和光電轉(zhuǎn)換電路，介紹了如何設(shè)計(jì)光電二極管放大器電路，說明了提高電路性能的幾個設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)分析了提高電路穩(wěn)定性的方法。電路在實(shí)際應(yīng)用中效果很好。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉衛(wèi)東，劉延冰.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，1999（4）：28?30.

[2] 霍戌文，李偉，李進(jìn)，等.光電探測微信號放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：259?262.

[3] 梁義濤，汶德勝，王宏.瞬態(tài)微光探測系統(tǒng)前置傳感器低噪聲設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電，2008（1）：147?150.

[4] 占建民，汶德勝，王宏，等.基于光電二極管的前置放大電路噪聲分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2011（4）：304?306.

[5] 王立剛，建天成.基于光電二極管檢測電路的噪聲分析與電路設(shè)計(jì)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：88?92.

[6] 張正茂，陳峰.光電探測放大器的噪聲分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2012（3）：37?40.

摘 要： 光電檢測前置放大電路的設(shè)計(jì)直接影響整個檢測電路的性能。選擇光電二極管在光伏模式下工作，使用低輸入偏置電流和低噪聲放大器，設(shè)計(jì)了光電檢測前置放大電路，重點(diǎn)分析了轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性，給出了轉(zhuǎn)換電路元器件參數(shù)選擇的依據(jù)。電路在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 光電二極管； 前置放大電路； 低噪聲； 穩(wěn)定性分析

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0137?03

Abstract： The design quality of pre?amplifier circuit in photoelectric detector can directly affect the properties of a whole detection system. In order to get a perfect photoelectric detection pre?amplification circuit， a photodiode working in photovoltaic mode was selected， and then a photoelectric detection pre?amplification circuit with low input bias current and low noise amplifier was designed. The stability for conversion circuit is analyzed in this paper. The basis of choosing the relevant parameters of the components in conversion circuit is given. The circuit has achieved good results in practical application.

Keywords： photodiode； pre?amplification circuit； low noise； stability analysis

0 引 言

光電檢測電路是光信號和電信號之間的橋梁，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、宇宙、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和民用[1]等諸多領(lǐng)域都需要將光的強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為電信號。例如，大米色選機(jī)、色譜分析儀、火災(zāi)探測和輻射計(jì)[1?3]等儀器或儀表都是光電檢測的具體應(yīng)用。在這些電路中，光電二極管是最常用的光探測器，光電二極管產(chǎn)生一個與照度成比例的微弱電流，前置放大器將這個微弱的電流信號放大轉(zhuǎn)換為一個易于處理的電信號[4]。

文獻(xiàn)[4?6]對光電轉(zhuǎn)換電路前置放大部分的噪聲進(jìn)行了較詳細(xì)地分析和推導(dǎo)，但過程較為復(fù)雜。本文從實(shí)用角度對檢測前置放大電路進(jìn)行研究，分析了電路設(shè)計(jì)各個方面的要點(diǎn)，給出了使用光電二極管進(jìn)行信號采集的光電信號轉(zhuǎn)換電路的分析與設(shè)計(jì)方法。

1 光電二極管模型及其轉(zhuǎn)換電路

光電二極管放大器的輸出電阻大致等于[RFAOL，]其中，[AOL]是運(yùn)放的開環(huán)增益。因此，輸出電阻會變得極小，負(fù)載效應(yīng)可以忽略。

光電二極管電流/電壓轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)放的選擇至關(guān)重要，運(yùn)放應(yīng)該具有低輸入偏置電流[IB、]低輸入失調(diào)電壓[VOS]及溫度漂移、軌到軌輸入/輸出、寬增益帶寬積GBWP、高壓擺率SR、低輸入噪聲電流密度和低輸入噪聲電壓密度的性能。

運(yùn)放的輸入偏置電流[IB]產(chǎn)生的直流輸出電壓誤差等于[IB*RF，]并且[IB]會隨溫度的上升而升高，所以較高溫度下的誤差會較大。一般的做法是通過增加一個值為[RF∥RJ]并與運(yùn)放同相輸入的并聯(lián)補(bǔ)償電阻[RC，]將電壓誤差降至[IOS*RF。]但是在高溫下，[RC]的值難以確定，因?yàn)閇RJ]的值會隨溫度的上升而顯著下降，在這種情況下，[RJ]的值可能小于[RF。]此外，當(dāng)運(yùn)放輸入噪聲電流流過[RC]時(shí)，它會產(chǎn)生噪聲電壓；另外，[RC]還會產(chǎn)生熱噪聲電壓，這兩種噪聲電壓都會被電路的噪聲增益放大，因此，輸出噪聲水平會升高。在運(yùn)放的同相輸入處， [IB]還會在[RC]上產(chǎn)生電壓，這會導(dǎo)致在反相輸入處產(chǎn)生相同的電壓。此時(shí)，偏電壓不再穩(wěn)定，將導(dǎo)致光電二極管的響應(yīng)變?yōu)榉蔷€性。因此，通過增加補(bǔ)償電阻[RC]來降低電壓誤差[IB*RF]通常不是一種有效的方法。

輸入失調(diào)電壓[VOS]產(chǎn)生的直流輸出電壓誤差等于[VOS*（1+RFRJ），]室溫下由于[RF]遠(yuǎn)小于[RJ，]所以增益約為1 V/V，因此該誤差約等于[VOS。]在高溫下，由于[RJ]的值顯著降低，增益可大于1 V/V，所以誤差可能要大得多。此外，[VOS]漂移可能會使誤差變得更大。因此，低[VOS]和低[VOS]漂移有助于降低高溫下的輸出誤差。

此外，軌到軌輸出能最大程度地提高動態(tài)輸出電壓范圍和信噪比，寬的增益帶寬積和高的壓擺率可滿足輸出階躍響應(yīng)時(shí)間的要求。

當(dāng)噪聲電流流過光電二極管放大器時(shí)，將會產(chǎn)生電阻噪聲電壓，運(yùn)放輸入電流噪聲密度由[IB]決定，因此[IB]越低，運(yùn)放輸入噪聲電流密度就越低。低輸入噪聲電壓密度對于光電二極管放大器的輸出噪聲也發(fā)揮著非常重要的作用。它會被噪聲增益放大，因此輸出噪聲水平會受到顯著影響。

3 結(jié) 語

本文給出了光電二極管的等效模型和光電轉(zhuǎn)換電路，介紹了如何設(shè)計(jì)光電二極管放大器電路，說明了提高電路性能的幾個設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)分析了提高電路穩(wěn)定性的方法。電路在實(shí)際應(yīng)用中效果很好。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉衛(wèi)東，劉延冰.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，1999（4）：28?30.

[2] 霍戌文，李偉，李進(jìn)，等.光電探測微信號放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：259?262.

[3] 梁義濤，汶德勝，王宏.瞬態(tài)微光探測系統(tǒng)前置傳感器低噪聲設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電，2008（1）：147?150.

[4] 占建民，汶德勝，王宏，等.基于光電二極管的前置放大電路噪聲分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2011（4）：304?306.

[5] 王立剛，建天成.基于光電二極管檢測電路的噪聲分析與電路設(shè)計(jì)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：88?92.

[6] 張正茂，陳峰.光電探測放大器的噪聲分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2012（3）：37?40.

摘 要： 光電檢測前置放大電路的設(shè)計(jì)直接影響整個檢測電路的性能。選擇光電二極管在光伏模式下工作，使用低輸入偏置電流和低噪聲放大器，設(shè)計(jì)了光電檢測前置放大電路，重點(diǎn)分析了轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性，給出了轉(zhuǎn)換電路元器件參數(shù)選擇的依據(jù)。電路在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 光電二極管； 前置放大電路； 低噪聲； 穩(wěn)定性分析

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0137?03

Abstract： The design quality of pre?amplifier circuit in photoelectric detector can directly affect the properties of a whole detection system. In order to get a perfect photoelectric detection pre?amplification circuit， a photodiode working in photovoltaic mode was selected， and then a photoelectric detection pre?amplification circuit with low input bias current and low noise amplifier was designed. The stability for conversion circuit is analyzed in this paper. The basis of choosing the relevant parameters of the components in conversion circuit is given. The circuit has achieved good results in practical application.

Keywords： photodiode； pre?amplification circuit； low noise； stability analysis

0 引 言

光電檢測電路是光信號和電信號之間的橋梁，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、宇宙、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和民用[1]等諸多領(lǐng)域都需要將光的強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為電信號。例如，大米色選機(jī)、色譜分析儀、火災(zāi)探測和輻射計(jì)[1?3]等儀器或儀表都是光電檢測的具體應(yīng)用。在這些電路中，光電二極管是最常用的光探測器，光電二極管產(chǎn)生一個與照度成比例的微弱電流，前置放大器將這個微弱的電流信號放大轉(zhuǎn)換為一個易于處理的電信號[4]。

文獻(xiàn)[4?6]對光電轉(zhuǎn)換電路前置放大部分的噪聲進(jìn)行了較詳細(xì)地分析和推導(dǎo)，但過程較為復(fù)雜。本文從實(shí)用角度對檢測前置放大電路進(jìn)行研究，分析了電路設(shè)計(jì)各個方面的要點(diǎn)，給出了使用光電二極管進(jìn)行信號采集的光電信號轉(zhuǎn)換電路的分析與設(shè)計(jì)方法。

1 光電二極管模型及其轉(zhuǎn)換電路

光電二極管放大器的輸出電阻大致等于[RFAOL，]其中，[AOL]是運(yùn)放的開環(huán)增益。因此，輸出電阻會變得極小，負(fù)載效應(yīng)可以忽略。

光電二極管電流/電壓轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)放的選擇至關(guān)重要，運(yùn)放應(yīng)該具有低輸入偏置電流[IB、]低輸入失調(diào)電壓[VOS]及溫度漂移、軌到軌輸入/輸出、寬增益帶寬積GBWP、高壓擺率SR、低輸入噪聲電流密度和低輸入噪聲電壓密度的性能。

運(yùn)放的輸入偏置電流[IB]產(chǎn)生的直流輸出電壓誤差等于[IB*RF，]并且[IB]會隨溫度的上升而升高，所以較高溫度下的誤差會較大。一般的做法是通過增加一個值為[RF∥RJ]并與運(yùn)放同相輸入的并聯(lián)補(bǔ)償電阻[RC，]將電壓誤差降至[IOS*RF。]但是在高溫下，[RC]的值難以確定，因?yàn)閇RJ]的值會隨溫度的上升而顯著下降，在這種情況下，[RJ]的值可能小于[RF。]此外，當(dāng)運(yùn)放輸入噪聲電流流過[RC]時(shí)，它會產(chǎn)生噪聲電壓；另外，[RC]還會產(chǎn)生熱噪聲電壓，這兩種噪聲電壓都會被電路的噪聲增益放大，因此，輸出噪聲水平會升高。在運(yùn)放的同相輸入處， [IB]還會在[RC]上產(chǎn)生電壓，這會導(dǎo)致在反相輸入處產(chǎn)生相同的電壓。此時(shí)，偏電壓不再穩(wěn)定，將導(dǎo)致光電二極管的響應(yīng)變?yōu)榉蔷€性。因此，通過增加補(bǔ)償電阻[RC]來降低電壓誤差[IB*RF]通常不是一種有效的方法。

輸入失調(diào)電壓[VOS]產(chǎn)生的直流輸出電壓誤差等于[VOS*（1+RFRJ），]室溫下由于[RF]遠(yuǎn)小于[RJ，]所以增益約為1 V/V，因此該誤差約等于[VOS。]在高溫下，由于[RJ]的值顯著降低，增益可大于1 V/V，所以誤差可能要大得多。此外，[VOS]漂移可能會使誤差變得更大。因此，低[VOS]和低[VOS]漂移有助于降低高溫下的輸出誤差。

此外，軌到軌輸出能最大程度地提高動態(tài)輸出電壓范圍和信噪比，寬的增益帶寬積和高的壓擺率可滿足輸出階躍響應(yīng)時(shí)間的要求。

當(dāng)噪聲電流流過光電二極管放大器時(shí)，將會產(chǎn)生電阻噪聲電壓，運(yùn)放輸入電流噪聲密度由[IB]決定，因此[IB]越低，運(yùn)放輸入噪聲電流密度就越低。低輸入噪聲電壓密度對于光電二極管放大器的輸出噪聲也發(fā)揮著非常重要的作用。它會被噪聲增益放大，因此輸出噪聲水平會受到顯著影響。

3 結(jié) 語

本文給出了光電二極管的等效模型和光電轉(zhuǎn)換電路，介紹了如何設(shè)計(jì)光電二極管放大器電路，說明了提高電路性能的幾個設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)分析了提高電路穩(wěn)定性的方法。電路在實(shí)際應(yīng)用中效果很好。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉衛(wèi)東，劉延冰.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，1999（4）：28?30.

[2] 霍戌文，李偉，李進(jìn)，等.光電探測微信號放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：259?262.

[3] 梁義濤，汶德勝，王宏.瞬態(tài)微光探測系統(tǒng)前置傳感器低噪聲設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電，2008（1）：147?150.

[4] 占建民，汶德勝，王宏，等.基于光電二極管的前置放大電路噪聲分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2011（4）：304?306.

[5] 王立剛，建天成.基于光電二極管檢測電路的噪聲分析與電路設(shè)計(jì)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：88?92.

[6] 張正茂，陳峰.光電探測放大器的噪聲分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2012（3）：37?40.