微弱光信号检测电路的设计与实现 微弱信号放大电路

来源:经验交流材料 发布时间:2019-07-04 18:14:15 点击:
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20cr7年第27期

微弱光信号检测电路的设计与实现

龚涵1陈浩字2

(1.许昌学院电气信息工程学院河南

许昌

461000;2.北京航空航天大学电子信息工程学院

中国

北京

100083)

【摘要】本文从PIN光伏探测器的特性入手。针对光电检测中放大很弱信号而带来的信噪比和稳定性问题,设计了一种具有电压、电流滤波和相位补偿功能的低噪声光电信号放大电路。并对电路进行了实验分析和实用化处理。

【关键词】微弱信号;光电检测;前置放大

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【Abstnln】Thispaperha8ed帅thekt啉ofPINpho州iode咖nitoring,ifIviewofth。Problemofsi伊al的∞i弛蛳ds幽lity0fcircuit0fph砷啤lec岫cdetecti佣forweal【si印al,wepmposedapm一锄plifiercircuitwhicbc卸imProvesi印alto—Noi∞柚ddec陀雠theb叩dwidthof∞i∞.Alow—rIoi8e锄plifiercircuit0fphotoelectricdetectionisdesi印ed,withtIlef帅ctionsoffilter锄dphasecompeIlsati叩.0urdjscusgionfbcusesonde8i印蛐dexperi呲nt0fPrime蛐pli6cationcircuit.Weals0indic砒et}lefn砒te陪,whjchneedattenti伽f打pr∽tice舳d印plicatj叩.

【Ke,rwor‘b】weeksi91lal;PhotodiodeI啪itoring;pre一枷plifi盯

0.引言

在光电探测领域。大多数探测器需要将接收到的光信号转换成电

对于要检测的直流弱信号.频率比较低.主要要求其线性度好,噪声低。所以一般采用暗电流较小的不加偏置电压的光电压模式进行精确测量分析。而对于交流信号而言,出于对响应度的考虑.用于高速情况下,一般采用光电导模式。所以,对于lollW—100nW的直流信号进行检测时.采用光电压模式。

在对输入微弱光信号检测电路的设计中.对于运算放大器的选择直接影响着整个电路的性能.可以说运算放大器的选择对于电路起着至关紧要的作用.根据运算放大器本身的参数性能选择合适的用于特定场合的运算放大器是非常重要的。通常对运算放大器(0P)的要求有:①失调电压;②输入偏流;③输入噪声密度;④速率;⑤电源电流

对于10Ilw—loonW的信号进行检测。因为输入的光功率只有数十nw级别.按照光电探测器的响应度,经过光电探测器输出的光电流也只有数十nA而已.所以在运算放大器的选择方面尤为关键。输入偏置电流对于整个放大电路将会有很大的影响.如果输入偏置电流为nA级甚至更大的话.那么相对输入的信号就很难检测,所以为了获取较好的信噪比.一般要求输入偏流比输入的信号小至少两个数量级别.才能达到较好的效果。而另一方面.因为放大器的放大程度不可能是无穷大.对于光电转换信号进行前级放大时输出的电压信号一般为mV级别.所以输入失调电压又成为运算放大器选择必须考虑的一个重要参数。而前置放大时的噪声处理也很大程度上决定了整个电路的性能.输入噪声密度这一参数也是选择运放是需要考虑的。综上所述,在实际选择满足特定条件的运算放大器时。必须兼顾输入失调电压、

流信号,而实际信号处理电路则是以电压作为处理信号的。因此,如何将电流信号尽量无失真地转变为电压信号是应用工程师关注的焦点。传统电路中应用低噪声电阻来完成这种转换.但是低噪声电阻转换对微弱信号的信噪比损失较大。更为严重的是.这种转换使系统的增益和带宽形成尖锐的矛盾。因此在设计系统并选择放大器时,经常会陷入信噪比、系统带宽、系统增益之间相互矛盾的沼泽中Ⅲ。光信号测量中常常会出现背景噪声或干扰很大而待测信号十分微弱、几乎被噪声淹没的情况。这样就使得通过光电探测器转换后得到的光信号的信噪比(S,N)很小,所以,对于微弱信号检测电路的设计变得非常重要。

1.光电检测电路的设计

微弱光信号检测电路设计.包括以下几个部分.首先对于光信号进行光电转换,通过光电探测器将光功率转换为光电流,之后经过前置放大器将光电流转化成为电压形式.再通过运算放大器对于转化的信号进行第二级放大。变成可检测信号。光电转换的基本原理是当被测光照射到光探测器上时。产生相应的光电流,即将光信号转化成电信号。而对于微弱信号检测中。前置放大起着至关重要的作用。微弱信号检测原理框图如图1.1所示:

图1.1微弱信号检测原理框图

光电二极管PIN组成的光电检测电

1.1光电转换电路的设计

输入偏置电流、输入噪声密度等因素,只有它们相互之间达到较好的平衡,整个电路才能有更好的工作状态。针对相关参数,我们选择了MAX420作为前置放大电路的运放。它具有典型输入失调电压为l仙V,输入偏置电流为lopA。

1.2前置放大电路的设计光电探测器件紧密连接一个低噪声前置放大器.它的任务是:放大光电探测器件所输出的微弱电信号:匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗。对前置放大器的要求是:低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力,以及良好的线性和抗干扰能力。在给定的光电器件和电路结构条件下.前置放大器第一级输入电容的数值基本上是固定的,因此在依照系统要求.选择适当电路时.前置放大器第一级输入电阻和偏置电阻的大小是考虑的主要对象。前置放大器第一级一般采用场效应晶体管(FEn或双极型晶体管(BJn。不论选用场效应晶体管还是双极型晶体管,前置放大器

路.实际上是一个光一电流一电压变换器。PIN管是光电二极管中的一种,这种光电二极管的特点是频带宽(可达lOGHz)。但是,它的输出电流小(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。对于lonw—loonw的信号进行检测.选择PIN光电二极管,因为PIN频带宽,输出电流小(数微安)。PIN将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号.通过运算放大器和与PlN串联的电阻组成的放大器变换成电压信号。

光电二极管的光探测方式有两种结构:一是光电导模式,如图1.2示。在这种模式下,需给光电二极管加反向偏置电压,存在暗电流.由此会产生较大的噪声电流.有非线性,通常应用在高速场合;二是光电压模式,如图1.3示。在这种模式下.光电二极管处于零偏状态,不存在暗电流,有较低的噪声.线性好,适合于比较精确的测量脚。

的噪声中都含有并联源电阻Rs=肼min产生的热噪声。因此,为了减

小前置放大器的噪声,应该使光电检测器的偏置电阻Rb及放大器的输入电阻Rf越大越好。但是,输入电阻加大.势必要使输人端的时间常数RC加大,从而导致放大器的高频特性变坏,使带宽变窄。因此,应该根据系统的具体要求,适当地选择前置放大器的电路形式.使之能够兼顾噪声和带宽两方面要求。前置放大器的电路类型包括网:低阻型前置放大器、高阻型前置放大器和跨阻型前置放大器。

(1)低阻犁前置放大器低输入阻抗前置放大器(如图1.4所示)采用变压器耦合、晶体管共基极电路、并联负反馈及多个晶体管并联等作为放大器的输人级。光探测器直接与放大器连接,具有宽带和动态范围大等优点.但因放大器的等效输入阻抗低.使载噪比受到影响。

图1.2光电导模式图1.3光电压模式

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。机械与电子oSC皿NCE&TECHNOLOGY玳FORMATl0N2007年第27期

由于各种连接方式的都各自有其优缺点,因此.在选择光探测器与前置放大器的连接方式时,要视具体应用要求而定。

光电探测系统中,探测器输出的电信号通常很微弱,一般为“V数量级.只有经过充分放大和处理后才能记录下来。因此前置放大的设计是整个信号处理电路的一个重要环节。检测系统前级放大器的设计对整个系统性能起决定性作用。在微弱信号探测研究中不仅要进行后级放大和滤波环节的设计与改善,而且前级信号的精确设计也非常重要。因为在后级电路中,常常有上百倍甚至千倍的放大设计,在放大信号的同时,也放大了噪声旧。因此,光电探测器的前级放大设计通常从两方面着手:一是选择合适的器件;二是设计合适的电路形式。

针对光功率为10nw—100nw的直流弱信号检测.分析各项参数。设计了实际检测电路。这里.我们选择PIN光电二极管,对于直流低频弱信号进行精密测鼍,选择采用暗电流小,线性度好的零偏置光电压模式。前置放大电路采用了跨阻连接方式,跨接了一个100kn的反馈电阻。对于反馈电阻的选取,不宜过大,过大,电路稳定性变差.易造成干扰.测量时间变长。并接lopF的反馈电容,抑制,平滑噪声干扰。并

图1.4低输入阻抗前置放大器

(2)高阻型前置放大器如图1.5所示,对于阻抗特别高的光电探测器.必须采用场效应管作为第一级输入电路。由于放大器的等效输入阻抗高,具有载噪比高,灵敏度高等优点,但其宽带和动态范围受到影响,需要附加均衡电路以改善频率响应。

采用T型负反馈电阻网络的前置I/V转换放大电路.不仅可减小切换稳定时间.加快衰减,而且保证了测量放大倍数,达到了测量准确度的要求。图1.7是完整的微弱直流信号检测电路。

.1,

图1.7微弱直流信号检测电路

2.测试结果

田1.5高阻型前置放大器

(31跨阻型前置放大器对于具有恒流源特性的光电探测器,采用高阻负载将有利于获得大的信号电压.故希望采用高阻放大器。但高负载电阻与探测器分布电容和放大器输入电容将增加RC时间常量.影响系统的高频响应.并使其动态范围减小,通常采用跨阻放大器或并联反馈放大器克服这一缺点。它是光纤系统中常采用的前级放大电路。这种连接方式具有载噪比高,灵敏度高和频带较宽等优点,但放大器设计较复杂.且负反馈阻值限制了放大器的增益。

跨阻放大器的结构框图可以用图1.6表示。由基本放大器和一个跨接在输入输出端之间的电阻构成。这种放大器利用电阻褂提供电压并联负反馈.减小了放大器的输入阻抗,增加了带宽。

表4.1为检测实测数据与理论数据的比较。

表4.1输入与输出实验数据表

输入光功率

(nW)

前胃放大级实际输I叶J电压(mV)

334.7101.23923681.5l74.7363.1852.2440.0230.7319.37510.7377.2244.55l3.1021.2050.770

实际输出电压,输入光功

4.3074.4214.3184.4284.6374_3154.3874.3624.34l4.4104.3ll4.3124.3394.1964.0373.7832.728

前置放大级理}仑输出电压(mV)

1531.6463.23

第二级实际输出电压(mV)

4130.21337.41189.21079.31036.5817.54

1441.6447.57398.24360.89346.5l272.64229.16174.58133.4l85.43946.29031.15519.74713.0154.8652.9130.442

422.“

372.99341.96289.11239.05183.13140.6288.66049.13333.05720.82514.1955.5143.5240.74l

胡6.98

523.17400.03255.97138.0492.96559.01438.87614.0058.34191.126l

圈1.6跨阻型前置放大器

0.162

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scⅢNcE&TECI刑0LOGY唧ORMArn0N

2007年第27期

Pr:l

olg(4nW,lm聊=一62.2dBm,信噪比:在输入为100nW时,噪声为

3.结论

本文针对光电探测器的微弱信号设计了放大电路,实现了微弱直

O.436mV.S,N=1062.5。

孓E出钟田臻瓢皇

流信号的提取和放大。经过测试.该检测电路在常温下可正常工作,前置放大器的反馈电阻大小为兆欧级,且线性度较好,该前置放大部份与光电探测器连接正常工作。输入光功率为10nW—100nw,前置放大器将微弱光电流放大.输出达到50mV以上.噪声控制在0.5mV以下,

为后级放大提供了稳定可靠的前级信号。e

【参考文献J

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输入光功率(nw)

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围4.3输入输出曲线

理论输出:V0:(1+5l,1)。looIin=5200lin

作者简介:龚涵.男,许昌学院电气信息工程学院04电气本科一班学生。陈涪字。男,北京航空航天大学电子信息工程学院光电与信怠工程系研究生。

Re=O.88A厢

Vo=5200+0.88Pin=4576Pin

经测试。该检测电路最小能检测的光功率为4nw,所以灵敏度为:

[责任编辑:汤静]

(上接第175页)加强城市和工业用地的科学规划管理.提高非农用地的利用率,以减少对耕地的占用。对城市突地实行分区使用管制和重划.以提高利用效率:对工业用地则开发工业发展区域,有计划地使工厂企业集中在此区域内.以限制工厂对农地的滥占和污染;逐步实行按等级折算增加补充耕地面积,以切实保证补充耕地与被占用耕地数量、质量相当。根据补充耕地数量、质量按等级折算研究的工作进度,逐步完善报批的建设项目用地补充耕地方案内容,增加被占用耕地和补充耕地的等级以及按等级折算的内容,强化对补充耕地质量的审查。

四、结语

从新疆整体情况及土地行情来分析,充分合理地利用土地,依法严格保护耕地资源己成为耕地可持续利用的核心内容。应该认真贯彻《中共中央国务院关于进一步加强土地管理切实保护耕地的通知》精神.高度重视土地利用和耕地保护,积极采取行政韵、经济的、法律的手段加以综合管理.从而实现耕地保护与土地的可持续利用,满足当前和未来人们的粮食需求.满足当前和未来社会经济发展的各业用地需求,保护新疆地区生态的同时促进城市化的发展,这就是可持续发

展中施行耕地保护的意义。e’I

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作者简介:古丽齐克热,女,维吾尔族,讲师,主要研究方向为人口、资源与环境经济学厦企业管理。

[责任编辑:张艳芳]

(上接第197页)从而所求的非齐次线性方程组为{1.’.Ixl一jx,+jxJ:I

三、方阵对角化的逆向问题

正向问题:一般给出n阶方阵A,则可求A的特征值、特征向量,从而可判别A是否对角化。

逆向问题:不给出n阶方阵A.或A中有未知参数,只给出A的有关特征值或特征向量的某些信息来求A

舭叫{川。“矧=睢三)

从而A”:口AP一)鼍PAlPl-Pf

(一1)。/

1PI-PAPI_Ae

原理:若己知矩阵A.则可由I入E—A=oI求特征值x,从而由(地一

A)X=0求入所对应的特征向量。

若A可对角化.即存在可逆阵P使一AP=A,其中A的主对角线

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上的元素是A的特征值,于是A=队P-1,从而可达到求A的目的。

例:设三阶矩阵A满足Aaf=ql’AdFO。Aa严—a,

其中,dl_(1,2,1)’,aF(O,一1,1)’,a,=(O,0,1)’,试求A,”(n为奇数)解:由题设可知矩阵A有3个互不相同的特征值,即Xl-l,x2=o,

作者简介:陈军胜(1969一).男,宁夏大学成人教育学院讲师,从事高等教学的教学和研完工作。

[责任编辑:韩铭】

k一1,因此A可对角化,存在可逆矩阵P,使得P卜‘AP=A

/l\1

O\

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其中P-12—1

l,A:I

l/

一l/

微弱光信号检测电路的设计与实现

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

龚涵, 陈浩宇, Gong han, Chen Haoyu

龚涵,Gong han(许昌学院电气信息工程学院,河南,许昌,461000), 陈浩宇,Chen Haoyu(北京航空航天大学电子信息工程学院,中国,北京,100083)科技信息(科学·教研)

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