大庆石油学院学报第33卷第2期2009年4月JOURNALOFDAQINGPETROLEUMINSTITUTEVol.33No.2Apr.2009收稿日期:2009202202;审稿人:曹文;编辑:王文礼基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助(11521012)作者简介:王立刚(1959-),男,硕士,副教授,主要从事光电检测与测量、模式识别与人工智能等方面的研究.基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计王立刚,建天成,牟海维,刘强,付天舒(大庆石油学院电子科学学院,黑龙江大庆163318)摘要:利用噪声和信噪比的理论公式及等效电路模型,分析光电二极管检测电路噪声产生的原因.给出低噪声光电检测电路的设计原则,并设计基于光电二极管低噪声前置放大电路.结果表明:光电二极管的噪声主要是光转换器件内部电阻及PN结中载流子随机涨落引起的热噪声和散粒噪声,该噪声与光电二极管结构、材料、温度、工作电压及外部环境的干扰有关;前置放大电路的噪声主要与前置放大器的噪声电压、噪声电流、温度变化及反馈电阻有关.关键词:光电检测;噪声分析;电路设计;微弱信号中图分类号:TN722.3文献标识码:A文章编号:100021891(2009)0220088205经光电二极管转换的电信号通常都比较微弱,检测微弱光电信号很容易受噪声的干扰.在设计光电检测电路时,要尽量减小噪声,提高系统的信噪比和检测分辩率.前人[1-3]研究结果表明,在光电检测电路中,光电转换器件和前置放大电路的噪声对系统影响比较大,但对噪声源的分析及设计低噪声光电检测电路的论述[4-7]并不全面.笔者分析了基于光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点,提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法.1光电二极管的噪声图1光电二极管SPICE模型微弱光电信号检测的光电流一般为nA至μA级.探测器SPICE模型[1]见图1.由图1可见,该模型由一个被辐射光激发的电流源、二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成.结电容Cpo是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的,耗尽层窄,结电容的值大;相反,较宽的耗尽层表现出较宽的频谱响应;硅二极管结电容的数值范围为3pF到几千pF.漏电阻RD与光电二极管零偏或正偏有关,在室温下,该电阻可超过100MΩ,是主要的噪声源,即图1中的epo;RD产生的噪声称为热噪声和散粒噪声电流;IP为光电流;IS为散粒噪声电流,与光电流、暗电流和背景电流有关;Rs为体电阻,为10～1000Ω,此电阻很小,仅对电路的频率有影响.光电二极管的主要噪声是热噪声和散粒噪声.1.1热噪声由导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压或电流称热噪声[2],热噪声电压均方值�U2T取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽,其一般关系式为�U2T=4KT∫f2f1R(f)df,(1)式中:K为波尔兹曼常数;T为材料的绝对温度;R(f)为光电检测电路中的总电阻随频率f的变化关系,纯电阻时,R(f)与频率无关,则·88·�U2T=4KTRΔf.(2)当T=300K时,KT=4.14×10-21J,电阻的热噪声电压UT和热噪声电流IT的均方值[6]分别为�UT=4KTRΔf=1.29×10-10RΔf,(3)�IT=4KTΔfR=1.29×10-10Δf/R,(4)式中:Δf为噪声等效带宽.由式(3)和式(4)可以看出,�UT和�IT与R,T及Δf有关,电阻R是主要的热噪声源,在R不变时,减少Δf和T的值可有效减少热噪声.如在室温下,对于30kΩ的电阻,如果电路的放大倍数为1,则输出的热噪声电压有效值在电路通频带Δf=5MHz时,UT=50μV;IT=0.37nA.在这种状态下,进行nW(或pW)级测量将很困难.1.2散粒噪声由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为散粒噪声,散粒噪声[2]电压均方值�U2S和电流均方值�I2S分别为�U2S=R�I2S=2RqIΔf,�I2S=2qIΔf,(5)式中:q为电子电荷量;I为通过光电二极管的光电流IP、暗电流ID及背景光电流的平均值.若只考虑光电流,令ID为0.15μA,Δf=5MHz,则散粒噪声电流IS为0.387nA,电压为11.6μV.由式(3)和式(4)可知,散粒噪声电流和电压的均方值与Δf及I成正比,减少Δf和I可有效降低散粒噪声.1.3总噪声电流热噪声电流和散粒噪声电流是相互独立的,则总的噪声电流�IN的均方值�I2N为�I2N=�I2T+�I2S.(6)即�IN=1RU2T+U2S=0.54×10-3μA.Rf=2MΩ时,经前置放大后的噪声电压VN为VN=INRf=1.08mV.(7)若直流光电流约为0.15μA,则光电转换信噪比SNR为SNR=IP�IN=0.150.54×10-3=278.(8)2前置放...
