光電轉(zhuǎn)換電路噪聲的研究

光電轉(zhuǎn)換電路噪聲的研究

0噪聲分離與提取噪聲通常存在于電子測試系統(tǒng)中。它的來源是多方面的，包括由探測器產(chǎn)生的噪聲、分散噪聲、合成噪聲和1.f噪聲，以及由環(huán)境光產(chǎn)生的噪聲，以及由電路設(shè)計(jì)引入的系統(tǒng)噪聲。在對(duì)微弱信號(hào)的測試過程中,被測的微弱信號(hào)常常被埋沒在各種各樣的噪聲中,把信號(hào)和噪聲分離及提取,是保證測量結(jié)果正確的關(guān)鍵。光電轉(zhuǎn)換電路作為微弱信號(hào)測量系統(tǒng)的入口,對(duì)其進(jìn)行減噪處理就顯得尤為重要,它將直接影響到后續(xù)電路的信號(hào)處理及整個(gè)測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。1型光柵電極的工作原理本文研究的是基于PIN型光敏管的光電轉(zhuǎn)換電路,其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。圖1中,PIN型光敏二極管受到光信號(hào)的照射,產(chǎn)生光電流,根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷”和“虛短”的特性,光電流只是流入了反饋回路,并在反饋電阻上產(chǎn)生了壓降,從而將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào),即完成了光電轉(zhuǎn)換的處理。隨后的電路將對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、增益放大、采集和顯示等一系列處理。2噪聲源電路的噪聲2.1噪聲源探測器的噪聲2.1.1均方電流的測量熱噪聲是由于載流子的熱運(yùn)動(dòng)而引起電流或電壓的隨機(jī)起伏,它的均方電流式中,k為波爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;R為器件電阻值;?f為測量頻帶寬度。熱噪聲普遍存在于任何導(dǎo)體與半導(dǎo)體中,它屬于白噪聲。降低溫度和壓縮頻帶寬度能減少噪聲功率。2.1.2散粒噪聲測量系統(tǒng)散粒噪聲是由于光電探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下,光電子或載流子隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的,故稱為散粒噪聲,其均方電流為:式中,e為電子電荷;I為器件輸出平均電流;?f為測量頻帶寬度。散粒噪聲存在于所用真空發(fā)射管和半導(dǎo)體器件中,屬于白噪聲。2.1.3載流子濃度的測量產(chǎn)生-復(fù)合噪聲又稱為g-r噪聲,是由于半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)性而引起的載流子濃度的起伏。其噪聲均方電流是:式中,I是總的平均電流;M是光電增益;?f是測量頻帶寬度;ω=2πf(f是系統(tǒng)的工作頻率);τc為載流子平均壽命。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲不是白噪聲,而是低頻限帶噪聲,是光電探測器的主要噪聲源。2.1.4低頻噪聲模型1/f噪聲又稱為電流噪聲(閃爍噪聲),它是一種低頻噪聲(1kHz以下低頻區(qū)),其功率譜近似與頻率成反比。它的電流均方值表示為:式中,I是器件輸出平均電流;f是工作頻率;α、β和c是常數(shù)。2.2輸出信號(hào)的失調(diào)理想的運(yùn)放組件,當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí),其輸出信號(hào)也為零,但實(shí)際器件中,由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的不完全對(duì)稱,導(dǎo)致輸出信號(hào)不為零,這就是所謂的失調(diào)現(xiàn)象。運(yùn)算放大器的噪聲主要是它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流引起的電路噪聲。輸入失調(diào)電壓是使輸出電壓為零時(shí)在輸入端所加的補(bǔ)償電壓;輸入失調(diào)電流是指當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí),運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端的偏置電流之差。3影響電路噪聲的主要因素是噪聲的主要因素3.1噪聲與頻率的關(guān)系在探測器產(chǎn)生的噪聲中,1/f噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是屬于低頻區(qū)噪聲,與頻率有關(guān);而熱噪聲和散粒噪聲是白噪聲,兩者與頻率無關(guān),與頻帶的寬度有關(guān)。因此,可以結(jié)合信號(hào)頻譜特性來合理設(shè)計(jì)高通濾波器,減小噪聲的影響。3.2結(jié)構(gòu)內(nèi)正比和反偏電壓法光電二極管影響噪聲的參數(shù)主要是結(jié)電容和并聯(lián)電阻。結(jié)電容主要由兩個(gè)因素影響,一方面是與結(jié)面積成正比(即光電探測器的面積大小),另外一方面是與反偏電壓成反比(即PN結(jié)耗盡層寬度)。結(jié)電容不僅影響噪聲帶寬,而且影響噪聲的大小,光電二極管的結(jié)電容越小,帶寬越寬,而大的并聯(lián)電阻能減小光電二極管的暗電流。3.3精密噪聲測量模式光電二極管有兩種工作模式,即零偏置模式和反偏置模式。零偏置(光伏模式)其線性度好,沒有暗電流,噪聲低(主要是元器件的熱噪聲),應(yīng)用于精密測量;反偏置(光導(dǎo)模式)是非線性工作,有暗電流,噪聲較高(熱噪聲加導(dǎo)電的散粒噪聲),但具有較高的響應(yīng)速度,應(yīng)用于高速測量。3.4噪聲電流的選擇運(yùn)放的失調(diào)電壓、失調(diào)電流、等效輸入噪聲電流和電壓影響著噪聲的大小。失調(diào)電壓和電流雖然能通過電路對(duì)其進(jìn)行一定的補(bǔ)償,但其隨溫度的漂移會(huì)在輸入端產(chǎn)生噪聲,因此要選擇具有低的輸入失調(diào)電壓、電流,高的輸入阻抗及高的共模抑制比的運(yùn)放,例如AD8571的輸入偏執(zhí)電流為20~70pA,輸入偏執(zhí)電壓為1μV,共模抑制比達(dá)到120~140dB,可以滿足I/V轉(zhuǎn)換輸入級(jí)對(duì)運(yùn)放性能的要求。等效輸入噪聲電流中產(chǎn)生的噪聲電流是總噪聲電流的主要部分,其表達(dá)式是:式中,En和In表示噪聲電流和電壓;R1表示反饋電阻,(C為反饋電容)。從中可見,增加反饋電阻,可以減小輸入噪聲電流;增加反饋電容,可以減小噪聲帶寬,進(jìn)而減少輸出噪聲電壓。4高共模抑制比的清除技術(shù)1)合理選擇PIN型光電二極管,使得其結(jié)電容和并聯(lián)電阻盡可能大,減小噪聲帶寬。此外,對(duì)于精密測量,選擇零偏置工作狀態(tài),減小暗電流噪聲的影響。2)選用性能好的運(yùn)算放大器(低失調(diào)電壓、電流,高共模抑制比),可選用儀表放大器,例如AD623。此外,電源接入處加旁路電容,減少高頻信號(hào)的干擾。3)適當(dāng)增加反饋電阻和反饋電容。反饋電阻的增加,既有利于信噪比的改善,也提高了電流、電壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換系數(shù);反饋電容的增加,可以限制高頻段噪聲的增益,降低噪聲頻帶,同時(shí)能避免電路的自激振蕩,并具有一定的濾波作用。4)光電二極管補(bǔ)償技術(shù)。利用兩個(gè)光電二級(jí)管,一個(gè)作為主探測器,另一個(gè)作為補(bǔ)償探測器,對(duì)環(huán)境光進(jìn)行補(bǔ)償,利用差分對(duì)接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?？梢詼p少一定的環(huán)境光噪聲的干擾。5)屏蔽外界干擾。由于外界一般都存在電磁波信號(hào)等,因此需要金屬外殼對(duì)電路進(jìn)行屏蔽處理。5減噪方法及其確定在光電轉(zhuǎn)換電路中