光電檢測電路中降低噪聲的設計

1、光電檢測電路中降低噪聲的設計摘要：在光電檢測電路中往往要檢測一些微弱光信號，但這些信號總是受到一些噪聲的影響。本文主要陳述了光電檢測電路的基本原理以及噪聲的來源，并設計了一種可以減小噪聲的光電檢測電路，本設計具有電路結構簡單、輸出信噪比大、通頻帶寬、檢測精度高等特點。關鍵字：光電檢測電路 微弱光信號 噪聲1. 引言光電檢測技術是光學與電子學相結合而產生的一門新興檢測技術1。它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示2。目前光電檢測電路已被應用到許多領域。在光電系統(tǒng)中，光電檢測電路是將光學信息或者可變?yōu)楣鈱W信息的其他信息轉換為電信息，進而組成光、機、電、計算機的綜

2、合系統(tǒng)，實現(xiàn)光電信息檢測的自動化3。但是在光電檢測電路中，光信號和電信號也要受到很多噪聲的干擾。由于接收的光信號和轉換后的電信號通常都比較微弱，很容易淹沒在各種噪聲中，所以在設計光電檢測電路時，要盡量減小噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比和檢測精度。而在系統(tǒng)中，光電檢測電路是在最前面的一個環(huán)節(jié)，如果光電檢測電路的噪聲比較大，后面的放大和檢測系統(tǒng)的輸出誤差就非常大4，因此設計出噪聲很低的光電檢測電路非常重要。2. 光電檢測電路的噪聲來源光電檢測電路有許多噪聲來源，這些噪聲來源可分為系統(tǒng)的外部噪聲和內部噪聲兩種。外部噪聲是光電系統(tǒng)受到的外界干擾，包括光輻射源的隨機波動和附加的光調制、光路傳輸介質的湍流和背景起

3、伏、雜散光的入射以及檢測系統(tǒng)所受到的電磁干擾等。這些噪聲可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色光片以及電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。內部噪聲是光電系統(tǒng)本身產生的噪聲，包括光電檢測器件和檢測電路等的器件固有噪聲。這種噪聲是電路的基本物理過程所決定的，只要電路工作，這種噪聲就會存在，是不可能人為消除的，但可以通過選擇適當的電路元件以及合理的設計電路結構來減小內部噪聲。內部噪聲是隨機起伏的，覆蓋在很寬的頻譜范圍內，和有用信號同時存在，相互混淆5。光電檢測電路的設計要盡量減小內部噪聲，提高系統(tǒng)的檢測精度。光電器件中存在的內部噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、半導體中產生的復合噪聲、溫度

4、噪聲和閃爍(或 1/f)噪聲等。3. 檢測電路基本工作原理 用光電二極管組成的光電檢測電路，實際上是一個光電流電壓的變換器。首先由光電二極管將接收的光信號變成與之成比例的微弱電流信號，再通過運放和反饋電阻組成的放大器變換成電壓信號6，以減小噪聲的影響而檢測到微弱光信號。其基本電路如圖1所示。 圖1 光電流電壓轉換電路 假定運放為理想的運放，其輸入電阻和放大倍數都為無窮大，則輸出電壓為U0=IPR理論上，系統(tǒng)的輸出電壓U0的值與輸入電流IP成線性關系，靈敏度由反饋電阻R確定。而實際應用中，由于要受到運放失調電壓Vod與偏置電流Ib的影響，其輸出電壓總要產生誤差。誤差電壓一般為: Ue=Vod(1

5、+R/Rd)+IbR (1)其中Rd為光電二極管的結電阻。由此式中可以看出，當運放的失調電壓與偏置電流都較小時，輸出電壓誤差較小。因此，選擇運放時，應選擇性能參數都符合要求的運放。4. 檢測電路設計 光電探測器所接收到的光信號一般都非常微弱，而且光探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中，因此，對這樣的光信號進行處理，一般都要先進行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續(xù)處理所需要的電壓幅度。具體設計時包括以下幾個部分，首先對于光信號進行光電轉換（通過光電探測器將光功率轉換為光電流）、前置放大電路、濾波電路和主放大電路(第二級放大電路)，其設計框圖如圖2所示7。圖2 光電檢測電路框圖4

6、.1 光電轉換及前置放大的設計 光電探測器件緊密連接一個高性能低噪聲前置放大器，其功能是來實現(xiàn)電路匹配并將光電流轉換成電壓信號，以實現(xiàn)數倍的放大。這是光電檢測電路的核心部分，對前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。前置放大電路第一級輸入電阻和偏置電阻的大小是考慮的主要對象。4.2 濾波器的設計 濾波電路的功能是使特定頻率頻率范圍內的信號順利通過，而阻止其它信號頻率通過。為使電路設計簡潔并具有良好的信噪比，設計時用濾波器對信號進行處理。與無源濾波器相比，有源濾波器有一系列的優(yōu)點：不用電感，因而體積小、重量輕，也不存在電感帶來的損耗和

7、非線性；頻率范圍的下限可低至10-3HZ；由于運放的增益大，輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而兼有放大和緩沖的作用。按照濾波電路的工作頻帶可將其分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器。為保證測量的精確性，本設計在前置放大電路之后加入二階有源高通濾波電路(如圖3所示)，以除去有用信號頻帶以外的低頻噪聲（二階高通濾波器的幅頻特性如圖4所示），包括環(huán)境噪聲及由放大器引入噪聲。圖3 二階高通濾波圖4 高通濾波器幅頻特性 對于二階高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為f c（截止頻率可以通過公式f c=1/RC來進行計算），其傳遞函數為 (2)其中4.3 主放大器的設計 由于所檢測對象本

8、身為微弱量，因而所得到的電量自然是小信號，一般不能直接用于采樣處理。本設計的前置放大電路主要起到電流轉電壓的作用。由于經過其放大過的信號還不能滿足采樣電壓要求，因此還需應用主放大電路。其主放大電路如圖5所示8，其中放大器選用LM308。圖5 主放大電路 該放大器的放大倍數為：A=1+R12/R11 (3)其中R12為反饋電阻，R10=R12R11(R12+R11)。5. 結束語 本文應用光電檢測技術來檢測微弱光信號，設計了一種低噪聲光電檢測電路。由于該方法利用高性能運放來設計檢測電路，因而具有噪聲低、高增益、精度高、穩(wěn)定性好、信噪比好等優(yōu)點，實現(xiàn)了降低噪聲的功能。參考文獻1 宋豐華. 現(xiàn)代光電器件技術及應用. 國防工業(yè)出版社, 2004.2 馬聲全,陳貽漢. 光電子理論與技術. 電子工業(yè)出版社, 2005.3 江文杰,曾學文,施建華. 光電技術.科學出版社,2012.4 王立剛,張殿元. 低噪聲光電檢測電路的研究與設