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一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计

以GaN光伏型紫外探测器输出的微弱电流信号为根据对探测器的前置放大

电路进行设计，首先运用标准的电路理论建立了等效噪声模型，分析计算了电路

中各个噪声源引起的噪声，导出了光电检测电路的信噪比输出公式，对影响光电

检测电路输出信噪比的因素进行了详细的分析与研究；同时还给出了跨组放大器

带宽与稳定性之间的关系，最后用multisim10软件的仿真印证了分析和设计的正

确性。

标签：紫外探测器；前置放大器；噪声；稳定性

引言

空空导弹系统中多为红外制导和雷达制导。随着干扰手段的发展，单一的探

测手段已经不能满足抗干扰的需求。于是，出现了双色探测器等多探测体制，如

紫外/红外、紫外/激光、红外/激光等多种复合探测体制。继红外探测技术之后紫

外探测技术成为又一重要的军民两用光电探测技术。相较于红外探测系统，紫外

探测技术因其独有优势，受到了军方的关注。

正是因为军方的重視和紫外探测技术的独特性，本文开展紫外信号检测放大

技术的研究，以此来确定一种更适合紫外信号的前放电路结构，并对它的噪声特

性及抑制方法进行分析和验证。

1紫外探测器

紫外探测器件主要分为点探测器和像探测器。半导体紫外探测器件因其体积

小、过载高在军事中应用较多。本系统中采用GaN基紫外探测器，光谱响应区

间在260～380nm，峰值响应波长为365nm。

在探测器应用中多采用PIN结构[2]，I层会加大耗尽层厚度。I层有更高的

电阻相对于PN层，这里的反向偏压形成高电场区，加宽了光电转换的有效工作

区域，使暗电流有所降低，提高了灵敏度，探测器的电容也有减小。

紫外探测多采取直接探测，所以在光信号功率小时，电信号输出相应也较小。

一般在实际探测器的应用中，为了方便后续处理，通常使用前置放大电路将信号

放大。紫外探测器中就要设计合理的前置放大电路，以保证探测系统能够在一定

的输出信噪比下工作。

2前置放大电路

微弱光电信号前置放大器，信号小，输入信噪比低，在空空导弹系统等军用

系统中多有专门的低噪声放大器。

而在低噪声放大器的设计中，噪声水平、放大器的增益和放大器的带宽通常

要依据其中的带宽综合考虑。

2.1光电二极管的等效电路模型

紫外探测为直接探测方式。光信号功率小，紫外探测器的电信号输出也相应

较小，在本设计中所采用的探测器芯片的响应较小，ID约为5nA左右，零偏阻

抗100MΩ，结电容CJ≈50pf，等效电路[4]如图1所示。

它包含一个被辐射光激发的电流源，一个理想的二极管，结电容和寄生串联

及并联电阻。IL为二极管的漏电流，ISC为二极管光电流，Rpo为寄生电阻，ePD

为噪声源，结电容大致为20pf。

在本文的应用中，紫外探测器芯片工作在零偏置即光伏模式下。

在此模式下探测器芯片作为光电二级管可以非常精确的线性工作。零偏置条

件下，无暗电流，二极管噪声等同分电路电阻的热噪声；反偏置条件下，则有暗

电流产生附加噪声源。本文就要对这种光伏模式进行最优化设计。

2.2光电检测电路设计

由于探测器工作状态时产生的是电流信号，在后续使用中要将它转换为电压

信号，主放大器的作用就是对光电流进行I-V转换，并放大到所需要的值。

2.2.1电流-电压转换电路分析和设计

本文所采用的光电转换电路为高灵敏度的电流-电压转换器，二极管偏执由

运算放大器的虚地维持在零电压，短路电流即被转换为电压。电流电压转换电路

如图2所示。

由于在最高灵敏度时该放大电路[5]必须能检测1nA的二极管电流，采用普

通结构的电流电压转换器会使反馈电阻非常大，例如对于1nA的二极管电流，

要求输出0.1V的电压，则需要100MΩ的偏置电阻，而电阻是对总输出噪声影响

最大的因素之一。这对系统噪声的影响是不可想象的。

该主放大器的输出VO=-k1Rfid

k1=1+R1/R2+R1/Rf

可见这个电路是靠倍乘因子k来增加R的，于是我们基于一个合理的R值，

依靠倍乘因子k来提高灵敏度。

针对本电路为了实现0.1nV/nA的灵敏度，由式可知k1Rf=0.1/10-9=100M？

赘，这是一个相当大的值，为了不至产生太大噪声，由Rf=1M？赘出发，然后

乘以100以满足技术指标，因此，1+R1/R