光电信号放大电路建模与测试分析文献综述

 2022-11-22 09:11

随着人们对于微弱信号探测的要求不断地提高,国内对于低噪声放大电路的需求也不断提高。在这方面的研究也从未停止过。

胡涛、司汉英[1] 设计了一种能够有效降低噪声和温飘, 具有大的动态输入范围的放大电路,同时考虑了光电转换电路、放大电路带宽、放大电路噪声、放大电路稳定性以及其他一些需要注意的问题。着重考虑了激光脉冲的影响。光电探测器不仅要提高信噪比 ,还要保持激光脉冲信号的波形 ,因此要考虑通过信号的高频分量 。这就要求带宽更宽,而激光脉冲为高斯脉冲,是类矩形脉冲,而放大器对类矩形脉冲的响应与放大器带宽有关。在噪声方面,阐述了放大电路的噪声主要由光电探测器噪声和放大器件噪声两部分组成。分别是光电探测器噪声和放大器件噪声。

其中光电探测器中存在的噪声主要有热噪声 、散粒 噪声、复合噪声、温度噪声和 1/ f 噪声等,但是单独来看一般光电器件的话,在其中最为有明显影响的的内部噪声是热噪声和散粒噪声。而运算放大器的噪声分析是根据运放数据表上的数据计算出运放电路的峰峰值输出噪声, 而要计算出峰峰值输出噪声, 首先要计算出总输出噪声 (RTO) 总输出噪声(RTO)=总输入噪声(RTI)times;运放噪声增益。其中,总输入噪声(RTI)包含运放电压源的噪声、运放电流源的噪声以及电阻噪声等。在稳定性方面,除了相位补偿手段意外,还提出了几点避免运算放大电路产生震荡的好方法:①把Rf和R1与反相输入端相连的管脚尽量缩短,减小输入杂散电容;②在电源和运算放大器附近使用电源旁路电容 ;③容性负载尽量减少不必要的, 他们会引发对的附加相移的缺点对整个电路来说是一种资源的浪费。经过不懈的努力,选择除了一种采用压缩信号动态范围和差分放大方式的放大电路。具体的电路连接情况为在运放A1和A2 的反相输入端连接两个2个完全相同的PIN , 再将这两个光电二极管连接到差分放大器A3的同相输入端和反相输入端上。连接运放A2的PIN管不接收光信号,由于 2 个 PIN管产生对称且相同的噪声,通过差放A3之后,探测电路产生的噪声会被滤除 ,从而增大了系统的信噪比。具体电路如下图所示:

图一 放大电路1

而龚涵[2]等人将眼光放在一种具有电压、电流滤波和相位补偿功能的低噪声光电信号放大电路, 在对电路进行仔细研究后,进行实验分析和具体的应用处理,通过比较低阻型前置放大器、高阻型前置放大器、跨阻型前置放大器的优缺点,综合考虑所探测的光功率和噪声的干扰,通过零偏置的方式选择电路,在他们的研究中,针对具体光功率为 10nW- 100nW 的直流弱信号检测, 在分析了各项参数后,选择了 PIN 光电二极管, 对于直流低频弱信号进行精密测量, 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 100kOmega;的反馈 电阻。对于反馈电阻的选取, 不宜过大,如果过大, 电路稳定性变差, 易造成干扰, 测量时间变长。再通过并接 10pF 的反馈电容, 抑制平滑噪声干扰。同时采用 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。

如下图所示:

图二 放大电路2

而在伯广宇[3]等人的研究中,明确阐明了在进行探测器和前置放大电路这部分设计的过程中要尽量避免或降低噪声对信号的影响。合理选择运放和设计前置放大电路,以及探测器与前置放大电路之间的匹配 , 可以提高系统的信噪比,为后续信号处理电路提供一个良好的开端。李常青[4]等人则是提出了使用对称三极管组成的对数比率放大电路的设计,这种电路做出了功能的拓展,除实现了微弱光检测输出有效信号的要求外,还实现了增益可调,扩大了有效信号的可检测范围。

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