基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计

大庆石油学院学报JOURNALOFDAQINGPETROLEUMINSTITUTE第33卷第2期2009年4月Vol.33No.2Apr.2009基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计王立刚，建天成，牟海维，刘强，付天舒(大庆石油学院电子科学学院，黑龙江大庆163318)摘要:利用噪声和信噪比的理论公式及等效电路模型，分析光电二极管检测电路噪声产生的原因.给出低噪声光电检测电路的设计原则，并设计基于光电二极管低噪声前置放大电路.结果表明z光电二极管的噪声主要是光转换器件内部电阻及PN结中载流子随机涨落引起的热噪声和散粒噪声，该噪声与光电二极管结构、材料、温度、工作电压及外部环境的干扰有关;前置放大电路的噪声主要与前置放大器的噪声电压、噪声电流、温度变化及反馈电阻有关.关键词:光电检测z噪声分析:电路设计g微弱信号中图分类号:TN722.3文献标识码:A文章编号:1000-1891(2009)02-0088-05经光电二极管转换的电信号通常都比较微弱，检测微弱光电信号很容易受噪声的干扰.在设计光电检测电路时，要尽量减小噪声，提高系统的信噪比和检测分辩率.前人[1-3J研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器件和前置放大电路的噪声对系统影响比较大，但对噪声源的分析及设计低噪声光电检测电路的论述[←7J并不全面.笔者分析了基于光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法.1光电二极管的噪声微弱光电信号检测的光电流一般为nA至μA级.探测器SPICE模型[IJ见图1.由图1可见，该模型由一个被辐射光激发的电流源、二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成.结电容C阳是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的，起尽层窄，结电容的值大;相反，较宽的耗尽层表现出较宽的频谱响应;硅二极管结电容的数值范围为3pF到几千pF.漏图1光电二极管SPICE模型电阻R[)与光电二极管零偏或正偏有关，在室温下，该电阻可超过100M，n，是主要的噪声源，即图1中的epo;R[)产生的噪声称为热噪声和散粒噪声电流;Ip为光电流;ls为散粒噪声电流，与光电流、暗电流和背景电流有关;Rs为体电阻，为10~1000，n，此电阻很小，仅对电路的频率有影响.光电二极管的主要噪声是热噪声和散粒噪声.1.1热噪声由导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压或电流称热噪声[2J热噪声电压均方值u;取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽，其一般关系式为研=优TfR(川(1)式中:K为被尔兹曼常数;T为材料的绝对温度;RCf)为光电检测电路中的总电阻随频率f的变化关系，纯电阻时.RCf)与频率无关，则收稿日期:2009-02-02;审稿人:曹文z编辑:王文礼基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助(11521012)作者简介:王立网IJ(19S9一九男.硕士.副教授.主要从事光电检测与测量、模式识别与人T.智能等方面的研究.•R8•第2期王立刚等2基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计m=4KTR!:J.f.(2)当T=300K时，KT=4.14X10-21J，电阻的热噪声电压U1和热噪声电流1T的均方值[6J分别为DT=V4K币五7=1.29X10-10JR!:J.f,(3)一f4KT!:J.f一厅r7百T一、-rHRI..Joj=1.29X10-10.;!:J.f/R,(4)式中:!:J.f为噪声等效带宽.由式(3)和式(4)可以看出，DT和lT与R，T及!:J.f有关，电阻R是主要的热噪声源，在R不变时，减少!:J.f和T的值可有效减少热噪声.如在室温下，对于30kn的电阻，如果电路的放大倍数为1，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带!:J.f=5MHz时，UT=50μV;IT=O.37nA.在这种状态下，进行nW(或pW)级测量将很困难.1.2散粒噪声由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声[2J电压均方值罚和电流均方值n分别为m=Rn=2Rq1!:J.f，l~=2q1!:J.f,(5)式中:q为电子电荷量;1为通过光电二极管的光电流1p、暗电流10及背景光电流的平均值.若只考虑光电流，令IlJ为O.15μA，!:J.f=5MHz，则散粒噪声电流Is为0.387nA，电压为11.6μV.由式(3)和式(4)可知，散粒噪声电流和电压的均方值与!:J.f及I成正比，减少!:J.f和I可有效降低散粒噪声.1.3总噪声电流热噪声电流和散粒噪声电流是相互独立的，则总的噪声电流凡的均方值n为n1i+n.I!P/,.,=言而.+U~=O.54X10-3μARr=2Mn时，经前置放大后的噪声电压V:-J为V:-J=1:-JRr=1.08mV.若直流光电流约为O.15μA，则光电转换信噪比SNR为1p0.15SNR==一---'------::-0=2781N0.54X10-'2前置放大器的噪声如果光强变化属于缓变过程，可忽略硅光电二极管结电容的影响[:lJ为分析放大电路对检测系统的噪声影响，先画出放大电路噪声等效模型，见图2，其中ei和ii分别为运算放大器的均方根输入噪声电压和电流，ELfI为运算放大器反馈电阻产生的热噪声电压.ei和zi分别为e'oRfZ=jfri町=e~!:J.f,(9)图2放大电路噪声等效模型Z=j:jι←ι!:J.f，式中:ti为运算放大器的输入噪声电压密度pii为运算放大器的输入噪声电流密度.(6)(7)(8)(10)运算放大器的噪声电压和噪声电流对组合电路的影响，可视为图2中运算放大器输入噪声电压源和噪声电流源的作用，它们对于组合电路输出端噪声电压的贡献Enl，En2分别为•89•大庆石油学院学报EnI=(ZRM=(仙月D专=专JRr/CrEn2=(e~ð.fRt/Rtrt=三~JR万Cr•2R[)第33卷2009年(11)(12)运算放大器存在失调电压和失调电流，其值随温度漂移，虽然在电路调整时能加以补偿，但是温漂的影响将在电路的输出端产生噪声.失调电压和失调电流的温漂对放大电路输出的贡献ETIJ.ETJ分别为Eαuð.tRr一TIJ一-E7'ETJ=α1ð.tRr.式中:αu为输入失调电压的温漂系数川I为输入失调电流的温漂系数;ð.t为温度变化.出端噪声的影响EnRr为「/RIL21÷EnR,=I4KTRrð.f(;.:'1I主lJKT/百.KrL'--~J\R[)/JR[)(13)(14)反馈电阻Rr对输(15)各种噪声源对光电二极管与运算放大器组合电路总的影响导致电路输出噪声加大，限制了对微弱光强信号的探测.由于各噪声互不相关，其综合影响为单独存在时的均方根值:(16)En=JE~Rr+E~l+E~2+E~Dl+E~[)2+E于I+E~•2\4-=(eSPRr\τ一式中:EnDl=(2eIpð.f品)()，S为光电极管的灵敏度;P为入射的光功率;En[)2飞2CrI一(4KTMfJ一(VTRt一一17)'=(~:~r)光电二极管信号电流经运算放大器后的输出E。为R[)\R[)Cr3故电路组合的信噪比[4J为SNR=E=Eo=IpRr=SPRr.SPRrJE~Rr+E~l十E~2+E~Di+E~D2十E~I十E~计算出光电检测电路的信噪比，修改光电检测电路的器件参数，以满足设计要求.外部噪声(17)(18)光电检测电路外部噪声包括辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的揣流、背景起伏、杂散光的入射、振动、电源的波动及检测电路所受到的电磁干扰等.这些噪声扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤波片、电气屏蔽、滤波及提高电源的稳定度等措施加以改善或消除.44.1低噪声光电检测电路的设计基本原则(1)光电检测电路采用电流放大型，光电二极管采取无偏压的工作方式，这样可减小光电二极管的暗电流，提高检测精度.(2)电路的反馈电阻扎在满足通频带宽度和输出信号范围的情况下不能太大，否则将产生较大的噪声.(3)尽量减小电路的通频带(ð.f=一1一一).增大输出信噪比，在Rr两端并联电容C，构成滤波电2πRr.C,路，减小输出噪声和自激现象.(4)在选用元器件时时，要使用低噪声器件.(5)光电二极管的内阻尽可能大.结电容尽可能小，以增大输出信噪比.•90•第2期王立刚等:基于光电二极管检W!~电路的噪声分析与电路设计(6)电路的环境温度T越小，输出信噪比越大，要尽可能使检测电路在较低的温度环境下工作.温度越低，光电二极管的内阻越大.(7)为了减小系统的外部噪声，光电检测电路必须用金属外壳来屏蔽外界电磁干扰，同时外壳接地.要防止电路板上电源线对反馈环路和输入端漏电，产生噪声或漂移.输入端引线应采用高绝缘导线，如果需要，可以将放大器装配在绝缘子上.要严格连接，避免电缆振动，并尽可能缩短输入连接线路.反馈电阻不能太大，避免干扰.线路板上的布线要合理，必要时可将光电二极管和反馈电阻悬浮，与运放直接相连，以减小泄漏电流，提高检测的灵敏度[6J光电二极管输出端到放大器的引线距离要尽量短，并且引线尽量对称，保证阻抗基本匹配.放大器输入输出应避免交叉布线，防止相互搞合.(8)根据测量光信号的大小、特点等综合因素，合理选择光电器件的结构、电阻、电容、前置放大电路和后继放大电路的形式.(9)光电器件源电阻的大小是选择前级放大元器的重要依据时，对光电二极管可选用运算放大器做前级放大元器.(10)元偏压下，光电二极管的暗电流最小.4.2电路设计依据低噪声光电检测电路设计的基本原则，设计的低噪声光电二极管探测器前置放大电路的见图3.其中:硅光电二极管选用UV一040B型，结面积为0.81nm2.RD=500Mn.噪声电流为5.8X1015A.NEP=89X10-15W;运算放大器采用OPA725型，它具有优良的低偏置电流，低漂移特性，非常低噪声;反馈金属电阻选择2M口，可得到约为4V的输出电压;根据检测光信号频率，选云母电容C1'C2'C3.C1•已;放大器供电电路电源稳定度为10-5~C1R,10-6•其滤波电容选O.2μF;运算放大器的调零电阻为10图3低噪声光电二极管探测器前置放大电路kn.2个容量为(0.1~0.2)μF的电容连接在运算放大器的正负电源和地之间，用于滤除电源的波动.已知温度变化6.t为1.C.T为300K.走=1.38X10-23J/K.e=1.6X10-19C,Uo=-1Rc=-RcP.当人射光功率P为1μW时，可算出输出信号电压为0.54V.等效输出噪声电压约为3mV.信噪比为90.光电二极管工作于零偏压，光电二极管和运算放大器的2个输入端同极性相连，运算放大器2输入端之间的输入阻抗Zin为光电二极管的负载电阻.2in=Rc/(A+1).其中A为放大器的开环放大倍数，当A=1011.Rc=2Mn时，Zin很小，可以认为光电二极管处于短路工作状态，能测量出近于理想的短路电流.处于电流放大状态的运算放大器的输出电压U可输入短路光电流成比例，并有Uo=IRc=RcSP.输出信号与输入光功率成正比.图3中低噪声光电二极管探测器前置放大电路因输入阻抗低而响应速度较高，并且放大器噪声较低，信噪比提高.这些优点使其可广泛应用于弱光信号的检测中，经适当的参数调整，可检测nA级的弱光信号.5结束语光电二极管的噪声主要是光转换器件内部电阻及PN结中载流子随机撒落引起的热噪声和散粒噪声，该噪声与光电二极管结构、材料、温度及工作电压及外部环境的干扰有关.前置放大电路的噪声主要与前置放大器的噪声电压、噪声电流、温度变化及反馈电阻有关，还要使其阻抗匹配，供电电源稳定度高，环境温度恒定等.文中设计的低噪声光电二极管检测电路仅从光电二极管、放大器及阻抗匹配方面去降低噪声.在实际电路设计时，不但选择相应的电器件，还要考虑光信号的特点，才能设计出符合要求的低噪声光电检测电路.•91•AbstractsJournalofDaqingPetroleumInstituteVol.33No.2Apr.2009Optimizationofthelargeconeanglepa