光電探測器前置放大電路設計與研究

胡曉東

摘 要：為了更好地利用光電探測器對弱光信號進行檢測，從而使得弱光信號轉換成為電信號，并對這種電信號進行有效的運用，那么在設計其前置放大電路時就一定要對光伏探測器、光電導器件等進行有效的研究，結合不同探測器的特點以及探測光信號的頻率特性來選擇放大電路，從而使得光電探測器的前置電路的性能達到最佳狀態(tài)。

關鍵詞：設計與研究；前置放大；光電探測器

中圖分類號：TN15 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0085-01

光電探測器將微弱的光信號轉換成為電流信號，然后再經(jīng)過放大電路將電流信號轉換成電壓信號，由于電流信號比較微弱，只有經(jīng)過有效的放大之后才能夠對其記錄下來，前置放大電路就可以實現(xiàn)這一功能，但是如果前置電路設計的不合理將會對摻雜進來的噪聲信號等進行放大，從而影響了電流的質量，因此本文就光電探測器前置放大電路的設計與研究具有重要意義。

1 光電探測器的工作條件

（1）說明偏置情況。光電探測器基本上都需要在某種形式的偏置條件下工作。比如光電磁探測器的偏置是磁場，而電阻測輻射熱氣以及光電導探測器則需要直流偏置電源。探測器的噪聲與信號通常和偏置的情況有關系，所以一定要注明偏置情況。（2）光敏面面積。光敏面的尺寸面積也影響探測器的噪聲與信號，通常情況下，光敏面的面積與探測器的信號噪聲成一定比例。（3）工作溫度。大部分探測器，工作溫度都會影響到其噪聲與信號，其中由半導體材料制成的探測器最為明顯。因此，一定要明確探測器的工作溫度。常用的工作溫度有：液氫溫度（22.4K）、液氯溫度（4.2K）、液氮溫度（77K）等。（4）電路的寬帶與通頻帶。由于噪聲的影響使得探測器失去了極限性能，噪聲的電流與電壓都與寬帶的平方根成正比例，因此在對探測器的性能進行描述的時候，一定要確定電路的帶寬與通頻帶。（5）輻射源的光譜分布。大部分光電探測器的響應信號都與輻射源的波長有關系，他們都是對特定范圍內輻射波長信號有響應，其中光子探測器表現(xiàn)最為突出。對于依賴于信號輻射波長的光譜響應特點，決定了探測器對探測目標進行探測的有效程度。因此在確立探測器的性能的時候，需要明確需要測定的輻射源的光譜分布。如果輻射源屬于黑體，那么就要明確黑體的溫度，如果輻射源屬于單色輻射，那就就要明確單色波源的波長；如果對輻射進行調制，那么就要給出調制的頻率。

2 三種探測器前置放大電路的設計

2.1 光電倍增管前置放大電路的設計

PMT即光電倍增管，它的工作流程為：當光陰極受到光源照射的時候，就會向真空當中發(fā)射出光電子，射出的光電子在聚焦極電場的作用下運動到倍增系統(tǒng)當中，經(jīng)過二次發(fā)射以后倍增明顯增大，增大后的電子受電場力的作用運到到陽極，陽極收集電子作為信號輸出。由于光電倍增管是被加上高電壓的電子管，如果有高壓輸出，那么很容易出現(xiàn)問題，因此為了保證簽字放大器工作的安全，需要設計具有保護效果的晶體管與電阻，形成保護回路[1]。

2.2 硅光電池前置放大電路設計

（1）光電池以開路形式輸出電路。硅與硒這兩種光電池最大的輸出電壓都不會比0.6V高，并且它們輸出的電壓與光照之間的線性關系也不明顯。在想獲得高輸出電壓但是對線性關系沒有較高要求時，便可利用高輸入阻抗的前放，此時的光電池就接近于開路。第一級由VT1與VT2組成，VT1與VT2都是低輸入阻抗的場效應管，將VT2與源級跟隨器相連接，在恒流的環(huán)境下工作，不僅提高了電路的線性而且還增強了輸入阻抗，最大可達到109歐。（2）光電池以電流形式輸出的電路。如果在進行光電檢測的時候對線性關系要求比較高，那么應該利用低輸入阻抗的電路來實現(xiàn)放大的工。與光電倍增管當中經(jīng)常使用的電流-電壓變換器相類似的電路形式，放大器的輸入電阻與光電池的內阻比起來，就相當于短路，經(jīng)過放大之后，其線性關系將會有很好地改良。

2.3 PIN光電二極管前置放大電路設計

這類二極管的在工作原理上與普通的二極管差不多，都是在PN結光電效應的基礎上工作的。不同的地方是在結構上，其中有一層比較厚的本證半導體摻雜在N型半導體與P型半導體當中。這樣使得長波的靈敏度以及量子效率都有了很大的提高，除此之外由于I層比較厚的特點，在進行反偏下工作的時候它可以承受比較高的反向偏壓，從而拓寬了線性輸出范圍。所以，根據(jù)PIN光電二極管的長波響應率大、靈敏度高、響應速度快的特點，可以選擇兩種類型的放大電路，分別是：高速響應放大電路與電流放大型I-V轉換電路[2]。

3 影響前置放大電路精度的幾個因素

（1）工作環(huán)境。光電探測器前置放大電路在實際的工作過程時，應該將其放在接地屏蔽盒中，以免有外界的電磁對其進行干擾。（2）布局布線。在設計電路的時候為了確保為后級能夠提供穩(wěn)定可靠的信號，必須要嚴格按照信號的流程進行布局，不可出現(xiàn)前、后級的線串繞的情況，以免有大小信號偶合的現(xiàn)象。（3）溫度補償。通常情況下光電探測器都要設置溫度補償電路，尤其是雪崩光電二極管最為突出。必要的時候在前置放大電路當中也應設計溫度補償電路。

4 結語

通過對光電探測器前置放大電路的設計與研究，得知設計的前置放大電路應該具備低輸入阻抗、高增益等性能特點，并且設計時還應該考慮到運算放大器的帶寬、環(huán)境因素等對前置放大電路的影響，這樣才可使得所設計的前置放大電路的功能性質能夠達到最佳狀態(tài)。

參考文獻

[1]趙遠，張宇.光電信號檢測原理與技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2]高科，孫晶華.光電探測器前置放大電路研究[J].哈爾濱工程大學理學院，2011（18）：45-88.