基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计.pdfVIP

大 庆 石 油 学 院 学 报 第33卷 第 2期 20O9年 4月 J0URNAI。0FDAQINGPETR0LEUM INSTITUTE VoII33 No．2 Apr． 20O9 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 l63318) 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：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；噪声分析 ；电路设计 ；微弱信号 中图分类号 ：TN722．3 文献标识码 ：A 文章编号 ：looO一1891(20O9)O2一OO88一O5 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 。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 。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 A级．探测器 SPICE模型_l1]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 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，耗尽层窄 ，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SPlCE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 1o0MQ，是主要的噪声源 ，即图 1中的 e。；R。产生的噪声称为热噪声和散粒噪声 电流 ；I 为光电流 ；J 为散粒噪声 电流 ，与光电流 、暗电流和背 景电流有关 ；R 为体电阻，为 10～ 1OO0Q，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 ，热 噪声电压 均方值 取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽 ，其一般关系式为 r ， 一 4K丁lR(-厂)d／。， (1) ，1 式中：K为波尔兹曼常数；丁为材料的绝对温度 ；R(厂)为光电检测电路 中的总电阻随频率 -厂的变化关系 ， 纯电阻时，R(．厂)与频率无关 ，则 收稿 日期 ：2Oo9一o2—02；审稿人：曹 文；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(1152lO12) 作者简介 ：王立削(1959～)．男 ，硕士，副教授 ，主要从事光电检测与测量 、模式识别与人Tl智能等方面的研究 ·88 · 第 2期 王立刚等 ：基于光 电二极管检测 电路的噪声分析与 电路设计 一 4K豫 △厂． (2) 当T一3O0K时，KT一4．14×1O J，电阻的热噪声电压 U 和热噪声电流 ，T的均方值[分别为