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光电探测器前置放大电路设计概要

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光电探测器前置放大电路设计概要 上海光学精密机械研究所 李国扬 此处的光电探测器,指的是将光功率转化为电流的二极管结构光电转换器件。有人认为光电探测器的应用很简单,将光电二极管的输出电流用一个电阻进行取样,就得到了电压,该电压可经过 AD 转换电路进行数字化处理。一个简单的光电探测器应用电路如下图所示: 实际上,没有如上图一样简单。 首先,上图中的光电探测器会产生一个暗电流,这个暗电流有可能会大到可以和信号电流比拟;其次,取样电阻会产生热噪声,而电阻值越大,噪声也越大。并且,10mV的信号电压未必足够大。而在光电流大小一定的情况下要提高信号电压,就需要增大取样电阻,取样电阻变大,又会增大噪声,这是一对矛盾。 进一步分析,光电探测器的PN 结有一个结电容,这个结电容和取样电阻形成一个RC 充电回路,RC 值的大小决定了光电探测器的响应速度。对于一个给定探测器,C值是随着 VCC 电压值变化而变化的。电容值随 VCC 变化典型曲线如下图。当 VCC 值不稳时(如用噪声大的开关电源给探测器做偏压),就会使结电容不稳,结电容的大小会影响响应度;这样,VCC 的噪声会通过改变结电容的大小而转化成信号的噪声。确定了探测器种类和 VCC 后,C 值就固定了,此时,减小 R 值可以减小响应时间,增大响应带宽;但是,减小 R 值又会减小响应幅度。这又是一对矛盾。 对于探测微弱信号而言,需要一个比较大的取样电阻,而取样电阻如果很大,对于后级电路来说,相当于一个大的输出阻抗,这对后级电路的处理带来了困难。如下图所示意,如果后级电路的输入电阻为 1M 欧,那么信号电压只有一半被后级放大器提取,所以,要求后级电路有很大的输入阻抗,才能尽可能多的提取信号能量。 到了这里,您可能会说,是否可以选择一种光电探测器,使它能够对光信号更为敏感,也就是说,单位光功率可以得到更大一些的光电流,这样就减轻了电路的压力。是的,有响应更大的器件。但是,增大光电响应度,在半导体工艺上需要增大光敏面积,而增大光敏面积的一个伴生效应是增大结电容。前面提到,增大结电容的坏处是降低响应速度。 一个典型的光电探测器结构图如下所示: 可以看到,一个光电探测器由一个光生电流源和一个电容构成。由 PN 结理论,增大加在光电探测器上的反偏电压,会拉长耗尽区,拉长耗尽区的结果是使结电容变小。从而得知,结电容是反偏电压的单调递减函数。 上面的结构还不能完全反映一个光...

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