用于高壓光纖電流傳感器的前置放大電路

用于高壓光纖電流傳感器的前置放大電路

0光電檢測方法光學技術(shù)是將傳統(tǒng)的光學技術(shù)與現(xiàn)代的電子技術(shù)和計算機技術(shù)緊密結(jié)合的高科技技術(shù)。這是獲取光信息和提取其他信息（如力、溫度、聲音、電壓、生物）的重要手段。采用光電檢測方法就是把調(diào)制到光載波上的有用信號解調(diào)出來,實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。因光纖末端輸出的光信號通常是很微弱的,各種噪聲的干擾直接影響有用信號的測量精度,這就要求光檢測器在所用光源的發(fā)射波長范圍內(nèi)具有高響應度、小的附加噪聲、快的響應速率且具有能處理所需要的數(shù)據(jù)率的足夠帶寬。另外,與探測器相連的前置放大電路也應當設計合理,以獲得大的動態(tài)范圍和高的信噪比。本文基于這一思想在實驗過程中總結(jié)設計出一種實用的前置放大電路,這一電路已被應用于高壓光纖電流傳感器中,并取得了較理想的效果。1sip/等效電路半導體材料對光的吸收遵從如下指數(shù)規(guī)律式中,α(λ)是當光的波長為λ時的吸收系數(shù);P0是入射于光探測器上的光功率;而P(x)是在距離x中吸收的光功率。如果耗盡區(qū)的寬度為w,并考慮到光電二極管的入射面的反射率為Rf,那么,由于光功率的吸收而產(chǎn)生的平均光電流IL由下式給出其中,q是電子電荷量,hv是光子的能量。光照下,PIN光電二極管PN結(jié)的伏安特性為式中,I0為PN結(jié)的反向飽和電流,V為包括外電壓和光電壓的實際結(jié)電壓;k為玻爾茲曼常數(shù),T為探測器的工作溫度。由式(3)可得以IL為參量的伏安特性曲線(如圖1)。從圖中可以看出光電二極管的反向輸出電流與照強度成正比。圖2給出了PIN光電二極管的等效電路。它包括光電流Ip,暗電流Id,結(jié)電阻Rd,結(jié)電容Cd的并聯(lián)。其中暗電流對應于工作電壓下沒有光照時的輸出電流,Rs為串聯(lián)電阻,其值遠小于負載電阻RL,通常可以忽略。在應用時,要求光伏探測器工作在線性范圍內(nèi)。因此必須保證Rd?RL?Rs,器件近似以短路方式工作,其輸出電流為這時,只需滿足式(4)中,器件趨于理想短路條件:為光探測器的量子效率,即短路電流I與入射于探測器上的光功率P0成正比,并且不受工作溫度的影響。2次反饋pn結(jié)構(gòu)PIN光伏探測器的輸出電流很小,易受干擾及噪聲的影響,需要設計良好的低噪聲前置放大電路對弱電流進行放大,以驅(qū)動后級電路工作。圖3是光電轉(zhuǎn)換前置放大電路。圖中外反饋為工作于短路方式下的基本放大電路。這種外反饋電路可使探測器對輸入的光功率具有高的分辨率和大的測量范圍,并能減小電路噪聲。其電壓輸出為式中,;f為信號頻率,R為反饋電阻。在信號頻率范圍內(nèi),f?fh,故因為PIN工作于短路方式,此電路大大降低PN結(jié)正向電流(即暗電流)帶來的影響,并使光電二極管得到最佳的信噪比,被放大的信號只與光強成正比。圖中虛框1內(nèi)是在基本反饋電路基礎上附加的內(nèi)反饋電路,可用R3、R4、C2控制A2增益響應特性。在直流情況下,該反饋由C2斷開,此時放大器的開環(huán)增益是兩個放大器開環(huán)增益的乘積。合理的設置的比值有減小噪聲帶寬的功效。圖中R2是為了補償因R1過大所造成的直流誤差,R2上的并聯(lián)電容Cp用以去除它上面的雜散噪聲。圖中外反饋電阻上并聯(lián)的電容C1為消振電容(因二極管的結(jié)電容較大),C1的加入減小噪聲帶寬(后詳述)。C1值的確定,要根據(jù)信號頻率的要求來計算。電路的幅頻特性如圖4所示,此增益曲線因放大器的開環(huán)極點和R3、R4組成的積分器響應極點而兩次下降,當頻率繼續(xù)增加時,由A2組成的運放的增益為,組合放大器總的開環(huán)增益為,使組合放大器的頻帶變窄,從而使噪聲頻帶變小,消除的噪聲增益為圖中陰影區(qū),而信號頻帶基本不受影響。3反饋電阻的影響在頻率帶寬Δf內(nèi)前置放大器的噪聲源有:電壓噪聲En,電流噪聲In,電阻熱噪聲及自身電流噪聲。等效輸入噪聲電流為由式(8)可以看出,在輸入噪聲電流中,隨著反饋電阻R1增加,電壓噪聲En/R1所占的比例減少,電阻噪聲及自身電流噪聲的含量也減少。因此,在光生電流確定的前提下,增加反饋電阻能改善信噪比。雖然式(7)表明,隨著反饋電阻R1增加,輸出噪聲電壓也會增加,但由于信號電壓隨R1先行增加,故兩者的比值是隨R1的增加而減少,即大的反饋電阻能改善信噪比。對前置放大電路來說,存在信號輸入端的雜散相加點電容Cx(如圖3虛框2所示),它對輸出噪聲起著十分有害的影響。電容Cx包含固有的信號源電容,印制板的雜散電容和輸入引線電容。對于補償相加點電容來說,增加了反饋電容C1還能使噪聲帶寬減少。在考慮反饋電容后,輸出噪聲電壓變?yōu)榭梢?反饋電容C1具有減少輸出噪聲電壓之功效。4光電檢測及其他電路設計1)光電二極管的結(jié)電容Cd、并聯(lián)電阻Rd應盡量大,由圖4可知,Cd不僅影響噪聲帶寬,而且影響噪聲的大小。而大的Rd減小光電二極管的暗電流。2)PIN為零偏工作時暗電流小,小的暗電流有利于提高有用信號的精度,并且使用也比較方便。3)電路中放大器可選用以JFET為輸入級的前置運放,這種運放的輸入偏置電流很小,且小的偏置電流在很寬的溫度范圍內(nèi)保持不變,JFET型運放的功耗也是最小的。4)選用前置放大器時,注意盡量使放大器的,及放大器要與選用光電二極管相匹配,以達到噪聲系數(shù)最小的目的。5)反饋電阻在滿足頻帶寬度的情況下應盡量大,以提高測量的信噪比(如式(8)分析)。6)光電檢測電路必須用金屬外殼來屏蔽。另外,摩擦電,外界振動、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移。要盡可能嚴格的連接,避免電纜的振動。優(yōu)質(zhì)的低噪聲或地滲露電纜也可縮減泄露電流,并盡可能縮短輸入連接線路。5高壓光纖電流檢測電路上述的光電檢測電路已被成功的應用到高壓光纖電流傳感器中。實驗中選用材料為InGaAs的PIN光電二極管,它的接收面積大、靈敏度高、結(jié)電容和暗電流低:放大器選用BURR-BROWN公司的低偏置電流單片運放OPA129。按照圖3a搭接電路。根據(jù)所測工頻信號的要求,分別取R1=2MΩ,C1=800pF,R2=100kΩ,Cp=0.1μF,R3=50kΩ,R4=1kΩ,C2=1μF。在檢驗電路時,直接用直流信號進行試驗,測得電壓與輸出光功率的曲線如圖5所示。可以看出該電路的線性度是