光電探測(cè)器前置放大電路研究

1、在弱光檢測(cè)中,光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)變?yōu)槲⑷醯碾娏餍盘?hào),一般為微安數(shù)量級(jí),光電探測(cè)器通過放大器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),只有經(jīng)過充分的放大和處理才能被記錄下來。加州理工學(xué)院曾對(duì)光通信中微弱光信號(hào)的檢測(cè)器使用不同特性的前置放大器,給出了各種比較數(shù)據(jù),充分說明前置電路的性能決定整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)良1。前置電路若設(shè)計(jì)得好,會(huì)使探測(cè)靈敏度提高,從而更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;反之,不僅會(huì)把輸入信號(hào)和噪聲放大,同時(shí)還會(huì)混進(jìn)電子器件本身帶來的新噪聲,這對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的影響會(huì)非常大?；诖它c(diǎn),有必要對(duì)光電探測(cè)器前置電路進(jìn)行深入研究。1光電探測(cè)器光電探測(cè)器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件,是光電系統(tǒng)的核心組成部分,在光電系統(tǒng)中

2、的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào),并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。光電探測(cè)器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)2,所以在給出性能參數(shù)時(shí),要注明有關(guān)的工作條件,只有這樣,光電探測(cè)器才能互換使用。主要工作條件有:(1輻射源的光譜分布很多光電探測(cè)器,特別是光子探測(cè)器,其響應(yīng)是輻射波長的函數(shù),僅對(duì)一定波長范圍內(nèi)的輻射有信號(hào)輸出。這種稱為光譜響應(yīng)的“信號(hào)依賴于輻射波長”的關(guān)系,決定了探測(cè)器探測(cè)特定目標(biāo)的有效程度。所以在說明探測(cè)器的性能時(shí),一般都需要給出測(cè)定性能時(shí)所用輻射源的光譜分布。如果輻射源是單色輻射,則需給出輻射波長。假如輻射源是黑體,就要指明黑體的溫度。當(dāng)輻射經(jīng)過調(diào)制時(shí),則要說明調(diào)制頻率。(2電路的通頻帶

3、和帶寬因噪聲限制了探測(cè)器的極限性能,噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根,所以在描述探測(cè)器的性能時(shí),必須明確通頻帶和帶寬。(3工作溫度許多探測(cè)器,特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測(cè)器,無論是信號(hào)還是噪聲,都與工作溫度有密切關(guān)系。所以必須明確工作溫度。最通用的工作溫度是:室溫(295K、干冰溫度(195K、液氮溫度(77K、液氯溫度(4.2K以及液氫溫度(20.4K。(4光敏面尺寸探測(cè)器的信號(hào)和噪聲都與光敏面積有關(guān),大部分探光電探測(cè)器前置放大電路研究高科,孫晶華(哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001摘要:在弱光檢測(cè)中,光經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),此信號(hào)極其微弱。要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,并有效地利用這

4、種信號(hào),必須對(duì)光電器件采取適當(dāng)偏置,然后再將已轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大處理。對(duì)光電導(dǎo)器件、光伏型探測(cè)器、光電流型探測(cè)器的前置電路進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。根據(jù)不同種類的探測(cè)器及探測(cè)光信號(hào)的頻率特性選取不同的偏置與放大電路,使前置電路的性能達(dá)到最優(yōu)。關(guān)鍵詞:光電探測(cè)器;運(yùn)算放大器;前置放大中圖分類號(hào):TN957文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-7720(201118-0086-03 Research in the front end circuit of photo-electric detectorGao Ke,Sun Jinghua(College of Science,Harbin Engineerin

5、g University,Harbin150001,ChinaAbstract:In low light detection,light is converted to electrical signal through photo-electric detector,which is extremely weak.To achieve photovoltaic conversion,and effective use of this signal,optoelectronic devices must take appropriate offset,and then converted to

6、 electrical signals for amplification processing.According to different types of detectors and detecting optical signals of different frequency characteristics,we select bias and amplifier circuit to reach the best performance.Key words:photo-electric detector;operational amplifier;front end circuit

7、86微型機(jī)與應(yīng)用2011年第30卷第18期測(cè)器的信號(hào)噪聲比與光敏面積的平方根成比例。參考面積一般為1cm2。(5偏置情況大多數(shù)探測(cè)器需要某種形式的偏置。例如光電導(dǎo)探測(cè)器和電阻測(cè)輻射熱器需要直流偏置電源,光電磁探測(cè)器的偏置是磁場(chǎng)。信號(hào)和噪聲往往與偏置情況有關(guān),因此要說明偏置情況。此外,對(duì)于受背景光子噪聲限制的探測(cè)器,應(yīng)注明光學(xué)視場(chǎng)和背景溫度。對(duì)于非密封型的薄膜探測(cè)器,要注明濕度3。2三種探測(cè)器前置電路設(shè)計(jì)2.1PIN光電二極管前置電路設(shè)計(jì)PIN光電二極管又稱快速光電二極管,在原理上與普通的光電二極管一樣,都是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的。所不同的是在結(jié)構(gòu)上,它的結(jié)構(gòu)是在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間摻

8、雜著一層較厚的本征半導(dǎo)體。這樣不僅提高了量子效率而且提高了長波靈敏度,此外由于I層比較厚,在反偏下工作可承受較高的反向偏壓,使線性輸出范圍變寬。因此,PIN光電二極管具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、長波響應(yīng)率大的特點(diǎn)4。根據(jù)PIN光電二極管的這些性質(zhì),可選擇兩種放大電路:電流放大型I-V轉(zhuǎn)換電路或高速響應(yīng)放大電路。2.2光電池前置電路設(shè)計(jì)硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管,可把入射到其表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。下面分析光電池兩種不同輸出要求的偏置電路。(1光電池作為電流輸出的電路。當(dāng)光電檢測(cè)中希望得到線性輸出時(shí),應(yīng)采用低輸入阻抗的電路來完成放大工作。類似光電倍增管中常用的“電流-電壓變換器”的電路形式。放

9、大器的輸入電阻相對(duì)光電池內(nèi)阻,可以視為短路輸出。經(jīng)放大器放大后,有著良好的線性關(guān)系。(2光電池作為開路輸出電路。硒與硅兩種光電池的最大開路電壓輸出也不超過0.6V,而且其輸出電壓與光照間的線性關(guān)系很差。有時(shí)為獲得較大的電壓輸出而不要求線性關(guān)系時(shí),可采用高輸入阻抗的前放,這時(shí)光電池相當(dāng)于開路工作。第一級(jí)由兩只低噪聲高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管VT1和VT2組成,其中把VT2接成源極跟隨器,在恒流態(tài)條件下工作,從而增加了電路的線性并提高了輸入阻抗,可達(dá)109。2.3光電倍增管前置電路設(shè)計(jì)光電倍增管(PMT的主要工作過程如下:當(dāng)光照射到光陰極時(shí),光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)

10、,并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射達(dá)到倍增放大,再把放大后的電子用陽極收集作為信號(hào)輸出。因?yàn)楣怆姳对龉苁羌由细唠妷旱碾娮庸?輸出高壓時(shí)容易出問題,為了保護(hù)前置放大器,必須設(shè)計(jì)有保護(hù)作用的電阻和晶體管,構(gòu)成保護(hù)回路。3電路實(shí)驗(yàn)3.1運(yùn)算放大器帶寬特性實(shí)驗(yàn)在放大電路中,由于所用的集成運(yùn)算放大器的性能不同,輸出的結(jié)果也可能不同,因此選取兩種不同的運(yùn)放,并用電流放大型I-V轉(zhuǎn)換電路測(cè)試。LM741的增益帶寬是1.5MHz,LTC6240的增益帶寬是18MHz。圖1(a與圖2(a是電路在正常頻率范圍內(nèi)(160Hz工作時(shí)的波形,幅度大約是1V。輸出幅度變化的臨界點(diǎn)為700Hz,超過了這個(gè)點(diǎn)幅度就開始減小。圖1(b中

11、輸出頻率的最大值約為11kHz,但LTC6240的輸出最大頻率是37kHz,如圖2(b所示,這是因?yàn)樵谙嗤鲆娴那闆r下LTC6240的帶寬比較高。3.2電路供電特性實(shí)驗(yàn)在處理微弱信號(hào)時(shí),很多因素都可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不僅探測(cè)器和運(yùn)放會(huì)帶來噪聲,電源噪聲也可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)的供電電源是雙路直流穩(wěn)壓電源,輸出電壓為5V,輸出噪聲如圖3所示,可以看出噪聲雖不大但有些尖峰,幅度可達(dá)8mV。為抑制電源噪聲,運(yùn)放電源電路設(shè)計(jì)了RLC低通濾波器。經(jīng)過低通濾波器后的波形如圖4,此時(shí)幅度為4mV。另外運(yùn)放也有一定的噪聲抗干擾能力,可達(dá)到105dB,故電源噪聲不會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成太大影響。3.3信號(hào)屏蔽處理實(shí)驗(yàn)

12、本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證在影響電路輸出的噪聲中,輸入端的 87導(dǎo)線長度是否對(duì)輸出有影響。為了使輸出結(jié)果準(zhǔn)確,PIN 光電二極管置于自然光中。圖5(a為PIN直接接入前置放大電路的電路輸出波形,圖5(b為PIN連接屏蔽導(dǎo)線后接入前置放大電路的電路輸出波形。對(duì)比兩圖可以看出雖然輸出波形頻率沒有變,但圖5(b輸出波形的幅度有所增大,在電路工作時(shí)可能會(huì)影響輸出結(jié)果。所以在設(shè)計(jì)電路時(shí),電子器件最好直接接入電路,以免引起不必要的誤差。通過實(shí)際測(cè)試表明,在設(shè)計(jì)光電探測(cè)器前置放大電路時(shí),所設(shè)計(jì)的前置放大器要具備低噪聲、高增益、低輸出阻抗以及要具有良好的抗干擾性能。在設(shè)計(jì)時(shí),還要充分考慮環(huán)境噪聲、輸入信號(hào)的頻率、運(yùn)算放大器的帶寬等因素對(duì)前置放大電路的影響,只有這樣才能使設(shè)計(jì)出的前置放大電路的性能達(dá)到最佳。參考文獻(xiàn)1雷玉堂.光電檢測(cè)技術(shù)M.北京:中國計(jì)量出版社,2009:2-7,5-10.2明海,張國平,謝建平.光電技術(shù)M.合肥:中國科技大學(xué)出版社,1998.3江月松.光電技術(shù)