光电探测微信号放大器设计

浙江理工大学学报 ,第 22卷 ,第 3期 , 2005年 9月 Journal of Zhejiang Sci2Tech University Vol. 22, No. 3, Sep t. 2005 文章编号 : 1009 24741 (2005 ) 03 20259204 收稿日期 : 2005 - 05 - 11 基金项目 : 浙江省自然科学基金 ( Y104615) 作者简介 : 霍戌文 (1969 - 　) ,男 ,山西忻州人 ,大学本科 ,助理实验师 ,主要从事计算机技术应用的研究。 光电探测微信号放大器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 霍戌文 , 李 　伟 , 李 　进 ,陈 　科 (浙江理工大学院信息电子学院 , 杭州 　310018) 　　摘 　要 : 针对光电检测中对微弱信号放大而带来的信噪比和稳定性问题 ,设计了一种低噪声光电信号放大电 路 ,它具有电压、电流滤波和相位补偿功能。同时分析了电路的频率特性和噪声特性 ,给出了电路参数选择方法及 电路稳定性检验办法。 关键词 : 光电检测 ; 信噪比 ; 放大电路 ; 噪声模型 ; 频率特性 中图分类号 : TN710. 2　　　文献标识码 : A 0　引 　言 在光电检测电路中 ,光电转换元件一般采用光电二极管 ,通过对光电二极管微弱光电流的检测 ,来获取 光信息或其它信息 (如位移、张力、压力、温度等 ) ,其原理是把调制到光载波上的有用信号解调出来 ,实现光 信号到电信号的转换。因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的 ,转换后的电信号也非常微小 ,由于背景噪 声、电路噪声、元器件噪声的影响 ,要做到精确测量有较大难度。因此 ,光电检测放大电路中抗干扰功能的设 计非常重要 [ 1, 2 ] ,它是提高信号检测灵敏度和精度的关键。另一方面 ,作为前置放大器必须有信号频率范围 所需的带宽、高稳定性和小增益误差 ,以保证输出信号有高的信噪比。本文设计了实用电路 ,并分析了噪声 特性和系统稳定性。 1　基本电路 图 1　光电检测电路 　　光电二极管的光探测方式有两种结构 :一是光电导模式。在这种模式下 ,需给光 电二极管加反向偏置电压 ,存在暗电流 Id ,由此会产生较大的噪声电流 ,有非线性 ,通 常应用在高速场合 ;二是光电压模式 ,在这种模式下 ,光电二极管处于零偏状态 ,不 存在暗电流 Id ,有较低的噪声 ,线性好 ,适合于比较精确的测量。比较后采用光电压模 式 ,具体光电检测电路如图 1所示。由图 1可知 ,这是一个电流 —电压转换放大器 ,它 把二极管探测到的光电流 Is 通过反馈电阻转换成输出电压 Vo。 分析实际电路时 ,必须考虑到电路中光电二极管的结电容、元件的杂散电容及 电路的主要噪声源等因素的影响 [ 3 ] ,图 2给出了光电检测电路的噪声模型。图中 Cd表示二极管的结电容和放大 器反相输入端的复合电容 ,其值约十几到几百 pF,二极管的结电容占主导地位。Rd 表示二极管的结电阻和放大 器反相输入端的复合电阻 , 其值可超过 100 MΩ。Id 为二极管内阻产生的噪声电流 , 其值为 Id = 4kT ( fH - fL ) /Rd。Cf代表反馈电阻 Rf的杂散电容 ,其值一般在 1pF以内。En、In分别为放大器的等效输入噪声 电压和等效输入噪声电流 ,其中 En = enw fce In ( fH / fL ) + fH - fL , In = inw fci In ( fH / fL ) + fH - fL , enw、inw 分别为放大器的等效输入噪声电压密度和等效输入噪声电流密度 , fce、fci 分别为放大器的转角频率。Irf 表示反馈电阻 Rf产生的噪声电流 ,其值为 Irf = 4kT ( fH - fL ) /R f。fH、fL由放大器频率特性决定。由图 2可得反 馈因子β = Z1 ( Z1 + Z2 ) ,其中 , Z1 = Rd ∥ (1 / j2πfCd ) , Z2 = Rf ∥ j2πfCf。展开后可得 　　　　　　　 1β = 1 + R f Rd 1 + jf / fz 1 + jf / fp (1) 图 2　光电检测电路噪声模型 式 (1) 中 , fp = 12πR f Cf ; fz = 1 2π (Rd ∥ R f ) (Cd + Cf ) , f 为信号频率。 当 f ν fz 时 ,函数 1 /β→ 1 /β0 = 1 + R f /Rd ;当 f µ fp时 , 1 /β∞ = 1 + Cd /Cf , 两个转折点为 fz、fp。设放大器的单位增益频率为 ft ,则交叉频率 fx =β∞ ft , 可得噪声电压增益 An = eno / eni 为 　　　　　　　An = (1 /β) / (1 + jf / fx ) (2) 将 (1) 式代入 (2) 式后得 　　　　　　　An = 1 + R f Rd 1 + jf / fz (1 + jf / fp ) (1 + jf / fx ) (3) 由于 Cd > > Cf、Rd > > R f ,因此 , fp > > fz;由 (3) 式可见噪声电压增益曲线有一个明显的峰值 ,这使基 本光电二极管放大器特性变差。 设放大器 A →∞、交叉频率 fx =β∞ ft ,则信号增益 As = Vo / Is 为 : 　　　　　　　As = R f (1 + jf / fp ) (1 + jf / fx ) (4) 由图 2可知 , In、Id 和 Irf 的噪声增益与信号增益 As 一致。 根据以上分析可知 ,要降低光电检测电路的噪声 ,首先 ,由于噪声的大小与带宽成正比 ,要严格限制噪声 增益带宽 ,在满足信号增益带宽的前提下 ,使带宽为最小值 ;第二是要设法补偿由于 Cd 的存在而产生的极点 所引起的相位滞后 ,以抑制噪声增益曲线的峰值 ;然后要选择具有低噪声 enw 和 inw 及低转角频率 fce和 fci的运 算放大器。 图 3　改进光电检测电路 2　改进电路设计 改进后的光电检测电路如图 3所示。电路在放大器的输出和检测电路的 输出之间加一个 RC滤波电路 ,这样就限制了放大器输出信号的带宽 ,滤掉经 过放大的噪声和放大器本身的噪声。电容 Cf1 用来补偿 RC滤波环节引起的相 角滞后。电容 Cf2用来补偿放大器输入端的复合电容 Cd引起的相位滞后 ,控制 噪声增益峰值。 设改进后光电检测电路中光电二极管和放大器的噪声模型同图 2,根据 图 3可得反馈因子为 : 　　　　　　　β = Z1 [ Zf (1 + jωRC) + Z cf1 ] Z cf1 Z f + Z1 Z f + Z cf1 Z1 (5) 其中 , Z1 = Rd ∥ (1 / jωCd ) , Z f = R f ∥ jωCf2 , Z cf1 = 1 / jωCf1。把它们代入 (5) 式 ,展开后可得 : 　　　　　　　 1β = 1 + R f Rd [ 1 + jω (Rd ∥ R f ) (Cf1 + Cd + Cf2 ) ] 1 + jωR f (Cf1 + Cf2 ) - ω2 R f RCf1 C (6) 令 　　　　　　ω0 = 1 R f RCf1 C , Q = (R /R f ) Cf1 C Cf1 + Cf2 , HOB P = 1 + Cd Cf1 + Cf2 (7) 代入 (5) 式得 : 　　　　　　　 1β = 1 + R f Rd 1 - (ω /ω0 ) 2 + ( jω /ω0 ) /Q + HOB P ×( jω /ω0 ) /Q 1 - (ω /ω0 ) 2 + ( jω /ω0 ) /Q (8) 062 　　　　　　　　　　　　　　浙 　江 　理 　工 　大 　学 　学 　报 2005年 　第 22卷 式中 ,ω为信号角频率 ,ω0为截止角频率 , Q为品质因素 , HOB P 为ω =ω0时的谐振增益。由于在电路中增加了 滤波电路 ,减小了增益带宽 ,如果放大器有足够的带宽 ,又 f = 2πω,故噪声电压增益可表示为 : 　　　　　　　An = 1 + R f /Rd 1 - ( f / f0 ) 2 + ( jf / f0 ) /Q + HOB P ×( jf / f0 ) /Q 1 - ( f / f0 ) 2 + ( jf / f0 ) /Q (9) 由 (9) 式可知 ,噪声增益特性由截止频率 f0、品质因素 Q和谐振增益 HOB P 3个因素决定 , f0 确定为信号频 率所需的最小带宽 ,以减小电路噪声。为了使噪声响应曲线不要出现峰值 , Q值应取 0. 707左右。HOB P为 f = f0 时的谐振峰值 ,应尽可能小。 信号增益为 : 　　　　　　　As = R f 1 - ( f / f0 ) 2 + ( jf / f0 ) /Q (10) 同样 , In、Id 和 Irf 的噪声增益与信号增益 As 一致。总的噪声电流 : 　　　　　　　Ini = I2rf + I2n + I2d = 4kT Δf R f + I2n + 4kTΔf Rd (11) 由 (11) 式知 ,总的噪声电流随 R f而下降。根据 (10) 式 ,信号增益特性由反馈电阻 R f、截止频率 f0和品质 因素 Q 3个因素决定 ,后两个因素选定同 (9) 式 , R f 增加时 ,信号输出和噪声电流输出都会增加 ,但信号电压 随 R f 先行增加 ,所以 ,大的反馈电阻能改善信噪比 ,其值应根据输入 /输出信号范围的比值来定。 3　电路参数设计 下面来讨论电路参数的设计。根据以上分析 ,在电路参数设计时 ,应考虑信号的增益带宽、噪声特性及频 率补偿问题。令 Cf = Cf1 = Cf2 , RC = R f Cf1 , (7) 式可化简为 : 　　　　　　　f0 = 12πRC = 1 2πR f Cf , Q = RC4R f Cf = 0. 5, HOB P = 1 + Cd 2Cf (12) 由 (12) 式可见 ,根据以上关系计算参数 , Q = 0. 5,在 f0小于 150kHz时 ,一般 Cf和 Cd值比较接近 ,因此 ,电路 具有很好的响应特性和噪声特性。 具体设计步骤为 : a) 根据检测信号的特点 ,选择光电二极管、放大器 ,器件噪声要低 ; b) 根据光电流的大小确定 R f 值 ; c) 由信号频率带宽确定 f0 ; d) 根据 (12) 式计算 Cf; e) 由 (12) 式确定相对于 R f 很小的 R值。 图 4　1 /β的零极点分布图 根据 (12) 式计算的参数值来分析电路的稳定性。一般 Rd µ R f ,则由 (6) 式 可知 , 1 /β有一个零点、两个重极点 fz = 12πR f (Cd + 2Cf ) fp = 1 2πR f Cf ,图 4为 1 /β的零极点分布图 ,图中令 fp 恰好在 | A | 曲线上 ,这时系统是稳定的 ,Φm = 90°,如果设定参数后 , fp在 | A | 的左面 ,则系统一定稳定 ,如果 fp进入的右面 , 则系统逐渐到振荡边缘 ,因此 ,电路参数设计完成后 ,要按图 4进行稳定性检 验 ,不满足要求时 ,要进行参数调整 ,最后 ,是实际电路制作 ,由于电路很多分布 参数的不确定性 ,实验时对计算所得的参数进行微调 ,以获得理想的效果。 4　结 　语 本文针对光电检测的微弱信号设计了前置放大电路 ,电路简单稳定 ,参数设计方便 ,具有较好电压、电流 滤波效果 ,可满足各种光电检测的要求。 参考文献 : [ 1 ]刘正岐 ,付文羽. 影响光电检测电路信噪比的因素 [ J ]. 延安大学学报 (自然科学版 ) , 2003, 22 (4) : 41 - 43. 162第 3期 霍戌文等 :光电探测微信号放大器设计 [ 2 ]刘 　彬 ,张秋婵. 光电检测前置放大电路的设计 [ J ]. 燕山大学学报 , 2003, 27 (3) 193 - 196. [ 3 ]刘树棠 ,朱茂林 ,荣 　玫 [译 ].基于运算放大器和模拟集成电路的设计 [M ]. 西安 :西安交通大学出版社 , 2004: 277 - 301. De sign of Amp lifie r C ircuit of Pho toe lectric De tection fo rW eak S igna l HUO Xu2w en, L I W ei, L I J in, CHEN Ke (College of Informatics and Electronics, Zhejiang Sci2Tech University, Hangzhou 310018, China) Ab s trac t: In view of the p roblem of signal2to2noise and stability of circuit of photoelectric detection for weak signal, a low2noise amp lifier circuit of photoelectric detection is designed, with the functions of filter and phase compensation. The characteristics of frequency and noise are analyzed, and it is p resented how the circuit parame2 ters are selected and the stability is checked up. Key wo rd s: Photoelectric detection; Signal2to2noise; Amp lifier circuit; Noise model; Frequency characteristic (责任编辑 : 陈和榜 ) 　 ( 上接第 258页 ) Schem a S tudy on a Type of Imp roved Gene tic Algo rithm w ith Specia l Individua ls REN Hong2m in1 , B I W ei2hong2 (1. Information Engineering Department, Hangzhou Radio &TV University, Hangzhou 310012, China; 2. Mathematics Department , Zhejiang University , Hangzhou 310028, China) Ab s trac t: Schema study on imp roved genetic algorithm with two special individuals added or held in each gen2 eration is given. It shows that the mathematical expectation of schema amounts about the imp roved genetic algorithm is greater than the one about standard genetic algorithm. The increment decreases as amount of population increases , and increases as length of individual increases. Schema theorem is set up for the imp roved genetic algorithm. Key wo rd s: Genetic algorithm; Special individuals; Schema theorem (责任编辑 : 马春晓 ) 262 　　　　　　　　　　　　　　浙 　江 　理 　工 　大 　学 　学 　报 2005年 　第 22卷