基于光電二極管反偏的光電檢測電路的噪聲分析

凌茂真 馬華平 谷順虎

摘 要 光電二極管在目前的電力設(shè)備元件中有著重要的應(yīng)用，其性能、狀態(tài)等對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定、安全等有著重要的影響，所以在實(shí)踐中需要關(guān)注光電二極管的相關(guān)內(nèi)容分析。從目前掌握的資料分析來看，噪聲性能會(huì)對(duì)光電檢測電路探測能力起到限制作用，所以在噪聲普遍存在的情況下，檢測電路的整體能力無法有效提升，因此在實(shí)踐中需要做好噪聲的分析與解決。通過不斷的實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)基于光電檢測電路的結(jié)構(gòu)可以將電路等效為觀點(diǎn)，而極端、晶體三極管和運(yùn)算放大器，對(duì)不同的模塊進(jìn)行分析可以進(jìn)一步明確噪聲的來源和影響因素，這樣，各部分的輸出噪聲可以被準(zhǔn)確計(jì)算，而基于噪聲計(jì)算結(jié)果能夠構(gòu)建電路輸出噪聲的電壓模型，基于電壓模型確定參數(shù)，并對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以得帶具有低噪聲特性的光電檢測電路?？傊?，文章對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，旨在為實(shí)踐提供指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞 光電二極管;光電檢測電路;噪聲分析

從目前掌握的資料來看，光電檢測技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。就具體的利用分析來看，在理想的情況下，只要有足夠光輻射信號(hào)的地方就可以使用光電檢測電路進(jìn)行信號(hào)的檢測，但是當(dāng)被檢測信號(hào)比較弱的時(shí)候，信號(hào)往往會(huì)淹沒在噪聲中，所以信號(hào)檢測的具體效果會(huì)大打折扣，基于此，對(duì)光電檢測電路的噪聲進(jìn)行分析便有了突出的現(xiàn)實(shí)意義。有研究人員通過實(shí)驗(yàn)分析了光電二極管的噪聲，并基于研究成果提出了設(shè)計(jì)低噪聲電路的原則和方法，對(duì)該內(nèi)容做具體的分析并指導(dǎo)實(shí)踐工作，實(shí)現(xiàn)工作實(shí)踐中低噪聲電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，這樣，光電檢測電路的具體利用效果會(huì)顯著加強(qiáng)。

1基于光電二極管反偏的光電檢測電路設(shè)計(jì)

對(duì)光電檢測電路做具體的分析發(fā)現(xiàn)在電路應(yīng)用實(shí)踐中，光電二極管主要有三種基本的狀態(tài)，分別是正偏、無偏和反偏。當(dāng)處在反偏狀態(tài)的時(shí)候，反偏偏壓會(huì)加快光生載流子運(yùn)動(dòng)，與無偏和正偏情況相比，反偏會(huì)產(chǎn)生更大的光電流，這種情況對(duì)于弱光環(huán)境檢測是非常必要的[1]?；诖朔治?，在具體的工作實(shí)踐中，要設(shè)計(jì)光電檢測電路，可以實(shí)現(xiàn)光電二極管和反向高壓的連接，以此實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的探測，探測到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電流信號(hào)之后，使用三極管對(duì)電信號(hào)進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換，之后再使用運(yùn)算放大鏡做電壓的放大，這樣，弱光信號(hào)的檢測便可以實(shí)現(xiàn)，下圖為光電檢測電路圖。

2光電檢測電路的噪聲分析

光電檢測電路的噪聲性能會(huì)限制其探測能力，所以需要對(duì)電路的噪聲具體情況以及噪聲的產(chǎn)生等進(jìn)行詳細(xì)的分析。就目前的具體分析來看，光電檢測電路存在的噪聲是非常多的，具體的有熱噪聲、散粒噪聲、溫度噪聲以及復(fù)合噪聲等[2]。就本文的光電檢測電路分析設(shè)計(jì)來看，主要考慮的是熱噪聲和散粒噪聲兩大類。

就熱噪聲的具體分析來看，其具體的產(chǎn)生為：導(dǎo)電材料當(dāng)中的截流子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)在材料兩端產(chǎn)生隨機(jī)漲落的電壓和電流。就現(xiàn)實(shí)分析來看，熱噪聲的出現(xiàn)比較的頻繁。就散粒噪聲的具體分析來看，其基本產(chǎn)生為：由光電截流子形成和流動(dòng)密度的漲落所造成的噪聲。從一般分析來看，存在PN結(jié)構(gòu)的地方有著比較普遍的散粒噪聲。

就光電檢測電路的具體分析來看，其主要有三大組成部分，分別是光電二極管模塊、三極管流壓轉(zhuǎn)換模塊和運(yùn)算放大器模塊，這三部分在運(yùn)用實(shí)踐中均會(huì)產(chǎn)生噪聲，不過具體的噪聲產(chǎn)生量和噪聲的產(chǎn)生原因有著顯著的差異[3]。從現(xiàn)實(shí)分析來看，電路中的噪聲存在如果不能進(jìn)行及的清除，光電檢測電路的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值會(huì)顯著下降，所以在實(shí)踐中，對(duì)三大模塊的噪聲類型做具體的分析，同時(shí)分析研究噪聲的具體產(chǎn)生原因，這對(duì)于低噪聲光電檢測電路的具體設(shè)計(jì)可以起到參考作用。

3光電檢測電路總噪聲和降低噪聲的設(shè)計(jì)原則

從現(xiàn)實(shí)分析來看，光電檢測電路的噪聲性能對(duì)其的具體探測能力有顯著的影響，所以在光電檢測電路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要基于總噪聲降低的基本要求進(jìn)行相應(yīng)的分析?；谏衔牡木唧w分析可知，光電檢測電路可以分為三大模塊，其分別是光電二極管模塊、三極管流壓轉(zhuǎn)換模塊和運(yùn)算放大器模塊。在進(jìn)行電路噪聲分析的時(shí)候?qū)⑦@三個(gè)模塊做級(jí)聯(lián)（下圖）分析，可以獲得比較突出的結(jié)果。

構(gòu)建級(jí)聯(lián)框圖并做相關(guān)要素的具體分析，從分析結(jié)果來看，光電檢測電路的輸出噪聲和較多的因素有關(guān)，其中出了噪聲電壓和期間本身的影響外，還有其他的因素，以下是具體的介紹[4]。①三極管的靜態(tài)增益和負(fù)載電阻與基區(qū)電阻的并聯(lián)值越小，電路的噪聲也會(huì)越小，但是在實(shí)踐中如果同時(shí)減少靜態(tài)增益和負(fù)載電阻，輸出信號(hào)也會(huì)明顯的變小，所以在進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候要先進(jìn)行負(fù)載電阻的滿足，然后在基于負(fù)載電阻對(duì)靜態(tài)增益進(jìn)行調(diào)整。②運(yùn)算放大器自身的增益越小，輸出噪聲的電壓表現(xiàn)會(huì)越低，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要強(qiáng)調(diào)整個(gè)電路的增益，并在增益維持的情況下減小電阻[5]。需要注意的是，如果電阻過小，運(yùn)算放大器的具體工作狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，所以在實(shí)踐中需要基于具體的情況做調(diào)整。③系統(tǒng)的通頻帶越小，電路的輸出噪聲也會(huì)越小，不過通頻帶的減小會(huì)影響到信號(hào)的波形，所以在綜合設(shè)計(jì)的時(shí)候需要綜合考慮這兩方面的波形。

就實(shí)踐工作開展來看，要有效減小電路的噪聲，還可以通過級(jí)間阻抗匹配角度的減小來完成?？偟膩碇v，基于具體的影響因素進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)分析，最終的低噪聲電路設(shè)計(jì)效果會(huì)更加出眾。

4基于光電二極管反偏的低噪聲放大電路設(shè)計(jì)

從上述的分析來看，在各方面因素控制的情況下設(shè)計(jì)基于光電二極管反偏的低噪聲放大電路可以有效提升檢測電路的信號(hào)探測能力，這對(duì)于提高光電檢測電路的利用價(jià)值而言有積極的作用?；诰唧w的分析，在進(jìn)行基于光電二極管反偏的低噪聲放大電路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要明確電路中的重要元件。通過多方面分析與討論可知，元件主要有：光電二極管、三極管、運(yùn)算放大器、負(fù)載電阻、輸入電阻和反饋電阻。為了保證元件應(yīng)用的性能，基于實(shí)踐要求對(duì)元件的具體型號(hào)、參數(shù)等進(jìn)行明確是有突出價(jià)值的[6]。就實(shí)踐研究來看，為了保證電路的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要在電路的相應(yīng)位置上進(jìn)行旁路電容和反饋電容的添加，這樣，整個(gè)電路的運(yùn)行穩(wěn)定性會(huì)更加的突出。

基于光電二極管反偏的低噪聲放大電路的具體設(shè)計(jì)圖，結(jié)合設(shè)備元件的具體型號(hào)以及參數(shù)對(duì)電路中的具體數(shù)值進(jìn)行分析，這樣可以判斷基于光電二極管反偏的低噪聲放大電路設(shè)計(jì)是否滿足具體的要求。從具體的計(jì)算結(jié)果來看，設(shè)計(jì)電路中的三極管靜態(tài)增益為50，如果將電路的通頻帶設(shè)置為50MHz的話，基于具體的計(jì)算公式可以得出電路的輸出噪聲電壓在10～20mV之間。在明確噪聲電壓的情況下進(jìn)行電路的具體運(yùn)行分析，同時(shí)測得無光和弱光條件下的電路輸出噪聲[7]。從具體的獲得情況來看，輸出的噪聲電壓，其峰值在20mV左右。如果將輸出噪聲等效為通頻帶內(nèi)的白噪聲，基于具體的計(jì)算公式可以獲得噪聲功率譜密度。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)最終所得的參數(shù)值均滿足低噪聲電路的基本要求。綜合實(shí)踐可知，基于相關(guān)原則設(shè)計(jì)的光電二極管反偏的低噪聲放大電路在微弱光的情況下可以有效完成信號(hào)探測的目的。

5結(jié)束語

綜上所述，光電檢測電路在目前的信號(hào)檢測實(shí)踐中有著重要的應(yīng)用，且發(fā)揮出了巨大的價(jià)值，所以在實(shí)踐中肯定并發(fā)展光電檢測電路有突出的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。就目前掌握的資料來看，在信號(hào)比較弱的區(qū)域進(jìn)行信號(hào)的探測，會(huì)因?yàn)樵肼暤仍虺霈F(xiàn)探測不準(zhǔn)確情況，這種情況出現(xiàn)對(duì)信號(hào)檢測實(shí)際質(zhì)量影響顯著，所以需要積極進(jìn)行噪聲的分析，同時(shí)要強(qiáng)調(diào)噪聲的規(guī)避。實(shí)踐表明低噪聲光電檢測電路在實(shí)踐中能夠有效克服困難，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的有效探測，因此在實(shí)踐中需要強(qiáng)調(diào)低噪聲光電檢測電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。文章基于光電二極管反偏的低噪聲放大電路應(yīng)用做相關(guān)的設(shè)計(jì)分析，旨在為實(shí)踐提供指導(dǎo)。

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