检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计

281999年第4期电测与仪表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)总第36卷第400期检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计(430074)1PIN正、负输入端正好有/虚短0(即两输入端之间电压差为零)的特性,这正是选用运放来检测PIN管电流的原因。设运放的开环增益为A,则此电路中PIN的负载电阻为R1/A,因运放开环增益A通常很大,即使选用较大的反馈电阻R1,R1/A与PIN管的输出电阻相比也是可以忽略的。理想的运放输入端还具有/虚断0(即输入端不取用电流)的特性,PIN管产生的电流流过反馈电阻R1,使得运放的输出电压E0=IPR1,从而实现了光y电流y电压的线性变换。2PIN管的等效电路如图2虚线框中所示,CD为光电二极管的结电容,RD为光电二极管的等效电阻。图1所示电流放大器的噪声源可用图2表示。图2中用In表示运放的输入噪声电流,当选用偏置电流为pA级的超低偏置电流运放(如美国BB公司的OPA128,偏置电流仅为75fA,1fA=10-15A)时,此噪声分量对一般实用的反馈电阻可以忽略不计。用en表示运放的输入噪声电压,CS为消除振荡的反馈电容。忽略In的影响,则可推导出运放的输出电压为E0=R1IP1+jXR1CS+1+R1RD#1+jXRDCD1+jXR1CSen(1)根据此输出表达式(1)可画出电流放大器的信号增益与噪声增益的幅频特性,如图3所示。由图中可知,信号电流IP在直流和较低频率时PIN,,、。PIN0随着科学技术的发展,光电检测技术已广泛应用于军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医疗卫生和民用等诸多领域。其具有能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输的特点,还具有检测信噪比高、抗干扰能力强、信息容量大等优点。采用光电检测方法的共同特点是:被研究的信息通过各种效应(机、热、声、电、磁)调制到光载波上,再将这些有用信号解调出来,实现光信号y电信号的转换。各种光电检测电路是实现光电变换的重要环节。本文将介绍一种检测微弱光信号的PIN光电检测电路,笔者已将其应用于高压光纤电流传感器中,取得了较理想的效果。1用光电二极管PIN组成的光电检测电路,实际上是一个光y电流y电压变换器。PIN管是光电二极管中的一种,它的结构特点是:在P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体,从而使PN结双电层的间距加宽,结电容变小。这种光电二极管的特点是频带宽,可达10GHz。所不足的是,管子的输出电流小,一般只有数微安。PIN管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号,通过运放和与PIN串联的电阻组成的放大器变换成电压信号。其基本电路如图1所示。PIN管相当于一个电流源,当它的负载阻抗为零时,它的输出特性最好。而理想的运放E0R1E0=IPR1PIN+-A1IP291999年第4期电测与仪表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)总第36卷第400期A1CSR1E0-enIPInRD2CD+C13变换系数为R1,随着频率的增加,CS的作用开始表现出来,信号电流的放大倍数开始下降,转折频率为1/2PR1CS。而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同,在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为1+R1/RD,随着频率的增加(转折频率为1/2PR1CD),噪声增益曲线首先由于CD的作用开始升高,直至由于电容CS的作用而停止;在高频段,噪声增益被限定在1+CD/CS。由此可见,RD越大,CD越小,噪声的影响越小,而加入CS可限制高频段的噪声增益。除了运放带入噪声外,反馈电阻R1的热噪声也是一个重要的噪声源。在纯电阻情况下,电阻的热噪声UT输出取决于检测电路的实际通频带$f[2]UT=4kTR1$f式中,k为波尔兹曼常数1.38@10-23J/K,T为绝对温度,$f为噪声频带,可见UT与R1成正比。通常在R1两端并联电容C以减小噪声频带来减小电阻的热噪声。此时并联RC电路对噪声的影响,相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽,$fe=1/4R1C。此时RC电路的热噪声UT=4kTR1$fe。3第一种变形电路如图4所示。电路在运放的同相输入端串联电阻R2来消除运放的偏置电流造成的偏压误差(包括由温度引入的偏置电流漂移的影响),通常R2=R1。这种电路的缺点是电阻R2会引入热噪声,常可用C2与之并联以减小噪声频带。此外,R2由于偏置电流还会引入压降,使PIN管产生暗电流。当选用偏置电流为pA级的运放时,实际应用中可忽略偏置电流的影响,故没必要引入电阻R2。R2IPR1CSE0A1-+C2PIN41第二种变形电路如图5所示。电路用T型电阻网络来代替反馈电阻,这种电路的优点是可以用小阻值电阻组成的T型网络,来代替大阻值的反馈电阻RT=R1+R2+R1R2/R3(通常R2/R3m1),以减小电阻的寄生电容的影响,提高信号的频带宽度。52pE0R2R3R1IPA1-+PIN301999年第4期电测与仪表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)总第36卷第400期63图6电路用两个运放组成一个复合放大器,该复合放大器具有降低噪声带宽,但不影响信号频带的特点。要注意A1的正、负输入端的连接与单运放的连接不同,正好颠倒,这是因为复合放大器的输入极性由A1、A2共同决定。图6中的内部反馈R3、R4、C1可控制A2所增加的增益响应特性。在直流情况下,该反馈由C1断开,此时放大器的开环增益是两个放大器开环增益的乘积。此增益曲线因放大器的开环增益极点和R3、C1组成的积分器响应极点而两次下降,如图7所示。当频率继续增加时(fm1/2PR4C1),由A2组成的运放的增益为R4/R3n1,复合放大器总的开环增益A1R4/R3nA1,使复合放大器的频带变窄,从而使噪声的频带变小,消除的噪声增益为图7中的阴影区,而信号频带基本不受影响。式(1)可知,RD使得噪声和偏移电压放大了1+R1/RD倍。(2)反馈电阻R1在满足频带宽度的情况下应尽量大,因电阻热噪声UT=4kTR1$f,而有用信号的输出为E0=IPR1,由此可见电阻R1带入的信噪比是正比于R1的函数,R1越大,信噪比越高。(3)应减小In,即应选用超低偏置电流的运放,以提高检测的灵敏度和精度。当反馈电阻较大时,偏流会在反馈电阻上产生偏移电压,给检测带入误差。(4)PIN为零偏操作时,暗电流很小,可提高有用信号的精度;而反偏操作时则会引入暗电流和电流噪声。但零偏时,CD比反偏操作大几十倍,这又会放大噪声电压,故要根据具体应用区别对待。(5)不建议用小阻值的T型网络来代替大阻值的反馈电阻,因为一般超低偏置电流的运放的偏移电压、漂移和噪声电压都比较大,由式(2)可知,T型网络会将其多放大1+R2/R3倍,显然很不合适。(6)为降低噪声大小和消除振荡,常在反馈电阻上并联小电容CS,(27)由图2和图5可推导出这种电路的输出为E0=IPR1+IP+IPR1R3R2+en+enRDR1+en+enR1/RDR3+enRDR2=IPR1+R2+R1R2/R3+en1+R1+R2+R1R2/R3RD+R2R3=IPRT+en1+RTRD+R2R3(2)这种电路的缺点是,运放的偏移电压、电压噪声及电阻R1产生的热噪声都比非T型网络放大了1+R2/R3倍,而R2/R3m1,可见这种电路的噪声较大,精度较差。第三种变形电路如图6所示。-+E0R4C1R1R3CSPINA1-+IPA274PIN(1)光电二极管的结电容CD、并联电阻RD应尽量大,由图3可知,CD不仅影响噪声带宽,而且影响噪声的大小。而由达到自动稳压的目的。312一般情况下,上限阈值电压VT+\VDD/2。在本机中供给CD4093的电源VDD=8V,则上限阈值电压大于4V,据此设计采样电阻。在电路的设计上,利用施密特触发器的输入可以是缓慢变化的模拟量这一特点采用半波整流。由计算(略)可知,采样电阻大约为50k8。在实际电路中,用42k8固定电阻和一10k可调电阻串联使用。313在本电源中采用环形自耦变压器,其特点是:¹空载损耗小,为常规EI型变压器的1/10左右;º体积小,为常规EI型变压器的1/3~2/3;»漏磁小,几乎无漏磁,为常规EI型变压器的1/50以下;¼可以随意改变变压器的外型尺寸。在工程上变压器尺寸的计算一般是在确定额定功率的情况下查变压器手册,选定标准磁心,然后进行实验,根据实验数据修改参数,直至达到指标。本电路非常灵活,在控制部分基本不变的情况下,只要选用不同尺寸的磁心和不同规格的继电器,就可以做成不同功率的稳压器,在此不作具体计算,文献[3]有详细介绍。4调试可以用二种方法进行。一种是输入电压由低向高升,进行调试;另一种是输入电压由高向低降,进行调试。以第一种情况为例,操作过程如下:¹调试前使W1、W2、W3调至阻值最小,以保证输入电压最低时,J3、J2吸合。º电压由150V开始逐步上升,当电压升至略大于190V时,调W2,使J3断开。»输入电压继续上升,当略大于240V时,调W1,使J2断开。¼当输入电压升到270V时,调W3,J1断开。为了保证设计指标的实现,应该进行反复调试。5作者设计的这种全自动交流稳压器曾作成200W、300W、500W、1kW等功率的机器试用取得了比较满意的效果。另外,还设计出有4个继电器控制、5个继电器控制、6个继电器控制及7个继电器控制的线路,功能更加完善,稳压范围更宽,有的可以在超低压下工作(100V)。1沈雷主编1CMOS集成电路原理及应用1光明日报出版社,198612陈清山等编译1CMOS集成电路及互换手册1中南工业大学出版社,199013王全保等编1变压器手册1辽宁科学技术出版社,19881收稿日期:1998-12-23()1999年第4期电测与仪表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)总第36卷第400期27(30)但CS会影响信号的带宽,要注意它的取值范围。(7)光电检测电路必须用金属外壳屏蔽。因反馈电阻一般较大,很容易接受干扰;同时应注意线路板上的布线,减少泄漏电流。必要时可将PIN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。5笔者成功地将上述PIN光电检测电路应用在高压光纤电流互感器中。光纤电流互感器是利用法拉第磁光效应传感机理,即电流产生磁场,磁场使线偏振光的光矢量发生旋转,再通过检偏器将光矢量的旋转角变成光强信号。PIN光电检测电路将光强信号变成电信号后再通过数据处理电路将有用信号检测出来。我们选用BURR-BROWN公司的超低偏置电流单片运放OPA128,PIN光电二极管选用ABB公司的1A211,反馈电阻取为10M8。在该应用中,PIN管接收的直流光信号为200nW,在其上叠加了1%的交流信号分量(即仅为2nW的交流信号分量),而使有用交流信号分量的检测精度达到了0.1%。1PhotodiodeMonitoringwithOpAmps,BBAppli2cationBulletin,PrintedinUSA,January,1995.2孙培懋等1光电技术1机械工业出版社,1992.收稿日期:1999-01-17()