光電檢測(cè)電路中降低噪聲的設(shè)計(jì)

1、光電檢測(cè)電路中降低噪聲的設(shè)計(jì)摘要：在光電檢測(cè)電路中往往要檢測(cè)一些微弱光信號(hào)，但這些信號(hào)總是受到一些噪聲的影響。本文主要陳述了光電檢測(cè)電路的基本原理以及噪聲的來源，并設(shè)計(jì)了一種可以減小噪聲的光電檢測(cè)電路，本設(shè)計(jì)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出信噪比大、通頻帶寬、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：光電檢測(cè)電路 微弱光信號(hào) 噪聲1. 引言光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測(cè)技術(shù)1。它主要利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示2。目前光電檢測(cè)電路已被應(yīng)用到許多領(lǐng)域。在光電系統(tǒng)中，光電檢測(cè)電路是將光學(xué)信息或者可變?yōu)楣鈱W(xué)信息的其他信息轉(zhuǎn)換為電信息，進(jìn)而組成光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)的綜

2、合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電信息檢測(cè)的自動(dòng)化3。但是在光電檢測(cè)電路中，光信號(hào)和電信號(hào)也要受到很多噪聲的干擾。由于接收的光信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)通常都比較微弱，很容易淹沒在各種噪聲中，所以在設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路時(shí)，要盡量減小噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)精度。而在系統(tǒng)中，光電檢測(cè)電路是在最前面的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果光電檢測(cè)電路的噪聲比較大，后面的放大和檢測(cè)系統(tǒng)的輸出誤差就非常大4，因此設(shè)計(jì)出噪聲很低的光電檢測(cè)電路非常重要。2. 光電檢測(cè)電路的噪聲來源光電檢測(cè)電路有許多噪聲來源，這些噪聲來源可分為系統(tǒng)的外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩種。外部噪聲是光電系統(tǒng)受到的外界干擾，包括光輻射源的隨機(jī)波動(dòng)和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起

3、伏、雜散光的入射以及檢測(cè)系統(tǒng)所受到的電磁干擾等。這些噪聲可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或?yàn)V色光片以及電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。內(nèi)部噪聲是光電系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲，包括光電檢測(cè)器件和檢測(cè)電路等的器件固有噪聲。這種噪聲是電路的基本物理過程所決定的，只要電路工作，這種噪聲就會(huì)存在，是不可能人為消除的，但可以通過選擇適當(dāng)?shù)碾娐吩约昂侠淼脑O(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)來減小內(nèi)部噪聲。內(nèi)部噪聲是隨機(jī)起伏的，覆蓋在很寬的頻譜范圍內(nèi)，和有用信號(hào)同時(shí)存在，相互混淆5。光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要盡量減小內(nèi)部噪聲，提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度。光電器件中存在的內(nèi)部噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、半導(dǎo)體中產(chǎn)生的復(fù)合噪聲、溫度

4、噪聲和閃爍(或 1/f)噪聲等。3. 檢測(cè)電路基本工作原理 用光電二極管組成的光電檢測(cè)電路，實(shí)際上是一個(gè)光電流電壓的變換器。首先由光電二極管將接收的光信號(hào)變成與之成比例的微弱電流信號(hào)，再通過運(yùn)放和反饋電阻組成的放大器變換成電壓信號(hào)6，以減小噪聲的影響而檢測(cè)到微弱光信號(hào)。其基本電路如圖1所示。 圖1 光電流電壓轉(zhuǎn)換電路 假定運(yùn)放為理想的運(yùn)放，其輸入電阻和放大倍數(shù)都為無窮大，則輸出電壓為U0=IPR理論上，系統(tǒng)的輸出電壓U0的值與輸入電流IP成線性關(guān)系，靈敏度由反饋電阻R確定。而實(shí)際應(yīng)用中，由于要受到運(yùn)放失調(diào)電壓Vod與偏置電流Ib的影響，其輸出電壓總要產(chǎn)生誤差。誤差電壓一般為: Ue=Vod(1

5、+R/Rd)+IbR (1)其中Rd為光電二極管的結(jié)電阻。由此式中可以看出，當(dāng)運(yùn)放的失調(diào)電壓與偏置電流都較小時(shí)，輸出電壓誤差較小。因此，選擇運(yùn)放時(shí)，應(yīng)選擇性能參數(shù)都符合要求的運(yùn)放。4. 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 光電探測(cè)器所接收到的光信號(hào)一般都非常微弱，而且光探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中，因此，對(duì)這樣的光信號(hào)進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理所需要的電壓幅度。具體設(shè)計(jì)時(shí)包括以下幾個(gè)部分，首先對(duì)于光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換（通過光電探測(cè)器將光功率轉(zhuǎn)換為光電流）、前置放大電路、濾波電路和主放大電路(第二級(jí)放大電路)，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示7。圖2 光電檢測(cè)電路框圖4

6、.1 光電轉(zhuǎn)換及前置放大的設(shè)計(jì) 光電探測(cè)器件緊密連接一個(gè)高性能低噪聲前置放大器，其功能是來實(shí)現(xiàn)電路匹配并將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍的放大。這是光電檢測(cè)電路的核心部分，對(duì)前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。前置放大電路第一級(jí)輸入電阻和偏置電阻的大小是考慮的主要對(duì)象。4.2 濾波器的設(shè)計(jì) 濾波電路的功能是使特定頻率頻率范圍內(nèi)的信號(hào)順利通過，而阻止其它信號(hào)頻率通過。為使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔并具有良好的信噪比，設(shè)計(jì)時(shí)用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。與無源濾波器相比，有源濾波器有一系列的優(yōu)點(diǎn)：不用電感，因而體積小、重量輕，也不存在電感帶來的損耗和

7、非線性；頻率范圍的下限可低至10-3HZ；由于運(yùn)放的增益大，輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而兼有放大和緩沖的作用。按照濾波電路的工作頻帶可將其分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器。為保證測(cè)量的精確性，本設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加入二階有源高通濾波電路(如圖3所示)，以除去有用信號(hào)頻帶以外的低頻噪聲（二階高通濾波器的幅頻特性如圖4所示），包括環(huán)境噪聲及由放大器引入噪聲。圖3 二階高通濾波圖4 高通濾波器幅頻特性 對(duì)于二階高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為f c（截止頻率可以通過公式f c=1/RC來進(jìn)行計(jì)算），其傳遞函數(shù)為 (2)其中4.3 主放大器的設(shè)計(jì) 由于所檢測(cè)對(duì)象本

8、身為微弱量，因而所得到的電量自然是小信號(hào)，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計(jì)的前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用。由于經(jīng)過其放大過的信號(hào)還不能滿足采樣電壓要求，因此還需應(yīng)用主放大電路。其主放大電路如圖5所示8，其中放大器選用LM308。圖5 主放大電路 該放大器的放大倍數(shù)為：A=1+R12/R11 (3)其中R12為反饋電阻，R10=R12R11(R12+R11)。5. 結(jié)束語 本文應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)微弱光信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種低噪聲光電檢測(cè)電路。由于該方法利用高性能運(yùn)放來設(shè)計(jì)檢測(cè)電路，因而具有噪聲低、高增益、精度高、穩(wěn)定性好、信噪比好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了降低噪聲的功能。參考文獻(xiàn)1 宋豐華. 現(xiàn)代光電器件技術(shù)及應(yīng)用. 國(guó)防工業(yè)出版社, 2004.2 馬聲全,陳貽漢. 光電子理論與技術(shù). 電子工業(yè)出版社, 2005.3 江文杰,曾學(xué)文,施建華. 光電技術(shù).科學(xué)出版社,2012.4 王立剛,張殿元. 低噪聲光電檢測(cè)電路的研究與設(shè)