微弱光信号的光电探测放大电路的设计

摘要：分析了微弱光信号放大电路的基本工作原理，针对光电探测中对微弱信号放大带来的信噪比和稳定性问题，设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出了电路参数选择方法。
关键词：光电探测；光电二极管；放大电路；噪声模型

对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。

1 基本电路
光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。

(1)光伏模式，如图1 (a)。此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。