光電探測(cè)器前置放大電路研究

高 科，孫晶華

（哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

在弱光檢測(cè)中，光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)變?yōu)槲⑷醯碾娏餍盘?hào)，一般為微安數(shù)量級(jí)，光電探測(cè)器通過(guò)放大器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，只有經(jīng)過(guò)充分的放大和處理才能被記錄下來(lái)。加州理工學(xué)院曾對(duì)光通信中微弱光信號(hào)的檢測(cè)器使用不同特性的前置放大器，給出了各種比較數(shù)據(jù)，充分說(shuō)明前置電路的性能決定整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)良[1]。前置電路若設(shè)計(jì)得好，會(huì)使探測(cè)靈敏度提高，從而更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；反之，不僅會(huì)把輸入信號(hào)和噪聲放大，同時(shí)還會(huì)混進(jìn)電子器件本身帶來(lái)的新噪聲，這對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的影響會(huì)非常大。基于此點(diǎn)，有必要對(duì)光電探測(cè)器前置電路進(jìn)行深入研究。

1 光電探測(cè)器

光電探測(cè)器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。光電探測(cè)器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)[2]，所以在給出性能參數(shù)時(shí)，要注明有關(guān)的工作條件，只有這樣，光電探測(cè)器才能互換使用。主要工作條件有：

（1）輻射源的光譜分布

很多光電探測(cè)器，特別是光子探測(cè)器，其響應(yīng)是輻射波長(zhǎng)的函數(shù)，僅對(duì)一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射有信號(hào)輸出。這種稱為光譜響應(yīng)的“信號(hào)依賴于輻射波長(zhǎng)”的關(guān)系，決定了探測(cè)器探測(cè)特定目標(biāo)的有效程度。所以在說(shuō)明探測(cè)器的性能時(shí)，一般都需要給出測(cè)定性能時(shí)所用輻射源的光譜分布。如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長(zhǎng)。假如輻射源是黑體，就要指明黑體的溫度。當(dāng)輻射經(jīng)過(guò)調(diào)制時(shí)，則要說(shuō)明調(diào)制頻率。

（2）電路的通頻帶和帶寬

因噪聲限制了探測(cè)器的極限性能，噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根，所以在描述探測(cè)器的性能時(shí)，必須明確通頻帶和帶寬。

（3）工作溫度

許多探測(cè)器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測(cè)器，無(wú)論是信號(hào)還是噪聲，都與工作溫度有密切關(guān)系。所以必須明確工作溫度。最通用的工作溫度是：室溫(295 K)、干冰溫度(195 K)、液氮溫度(77 K)、液氯溫度(4.2 K)以及液氫溫度(20.4 K)。

（4）光敏面尺寸

探測(cè)器的信號(hào)和噪聲都與光敏面積有關(guān)，大部分探測(cè)器的信號(hào)噪聲比與光敏面積的平方根成比例。參考面積一般為 1 cm2。

（5）偏置情況

大多數(shù)探測(cè)器需要某種形式的偏置。例如光電導(dǎo)探測(cè)器和電阻測(cè)輻射熱器需要直流偏置電源，光電磁探測(cè)器的偏置是磁場(chǎng)。信號(hào)和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要說(shuō)明偏置情況。

此外，對(duì)于受背景光子噪聲限制的探測(cè)器，應(yīng)注明光學(xué)視場(chǎng)和背景溫度。對(duì)于非密封型的薄膜探測(cè)器，要注明濕度[3]。

2 三種探測(cè)器前置電路設(shè)計(jì)

2.1 PIN光電二極管前置電路設(shè)計(jì)

PIN光電二極管又稱快速光電二極管，在原理上與普通的光電二極管一樣，都是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的。所不同的是在結(jié)構(gòu)上，它的結(jié)構(gòu)是在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間摻雜著一層較厚的本征半導(dǎo)體。這樣不僅提高了量子效率而且提高了長(zhǎng)波靈敏度，此外由于I層比較厚，在反偏下工作可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變寬。

因此，PIN光電二極管具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、長(zhǎng)波響應(yīng)率大的特點(diǎn)[4]。根據(jù)PIN光電二極管的這些性質(zhì)，可選擇兩種放大電路：電流放大型I-V轉(zhuǎn)換電路或高速響應(yīng)放大電路。

2.2 光電池前置電路設(shè)計(jì)

硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，可把入射到其表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。下面分析光電池兩種不同輸出要求的偏置電路。

（1）光電池作為電流輸出的電路。當(dāng)光電檢測(cè)中希望得到線性輸出時(shí)，應(yīng)采用低輸入阻抗的電路來(lái)完成放大工作。類(lèi)似光電倍增管中常用的“電流-電壓變換器”的電路形式。放大器的輸入電阻相對(duì)光電池內(nèi)阻，可以視為短路輸出。經(jīng)放大器放大后，有著良好的線性關(guān)系。

（2）光電池作為開(kāi)路輸出電路。硒與硅兩種光電池的最大開(kāi)路電壓輸出也不超過(guò)0.6 V，而且其輸出電壓與光照間的線性關(guān)系很差。有時(shí)為獲得較大的電壓輸出而不要求線性關(guān)系時(shí)，可采用高輸入阻抗的前放，這時(shí)光電池相當(dāng)于開(kāi)路工作。第一級(jí)由兩只低噪聲高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管VT1和VT2組成，其中把VT2接成源極跟隨器，在恒流態(tài)條件下工作，從而增加了電路的線性并提高了輸入阻抗，可達(dá)109Ω。

2.3 光電倍增管前置電路設(shè)計(jì)

光電倍增管（PMT）的主要工作過(guò)程如下：當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射達(dá)到倍增放大，再把放大后的電子用陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。

因?yàn)楣怆姳对龉苁羌由细唠妷旱碾娮庸埽敵龈邏簳r(shí)容易出問(wèn)題，為了保護(hù)前置放大器，必須設(shè)計(jì)有保護(hù)作用的電阻和晶體管，構(gòu)成保護(hù)回路。

3 電路實(shí)驗(yàn)

3.1 運(yùn)算放大器帶寬特性實(shí)驗(yàn)

在放大電路中，由于所用的集成運(yùn)算放大器的性能不同，輸出的結(jié)果也可能不同，因此選取兩種不同的運(yùn)放，并用電流放大型I-V轉(zhuǎn)換電路測(cè)試。LM741的增益帶寬是 1.5 MHz，LTC6240的增益帶寬是18 MHz。

圖1(a)與圖2(a)是電路在正常頻率范圍內(nèi)(160 Hz)工作時(shí)的波形，幅度大約是1 V。輸出幅度變化的臨界點(diǎn)為700 Hz，超過(guò)了這個(gè)點(diǎn)幅度就開(kāi)始減小。圖1（b）中輸出頻率的最大值約為11 kHz，但LTC6240的輸出最大頻率是 37 kHz，如圖 2（b）所示，這是因?yàn)樵谙嗤鲆娴那闆r下LTC6240的帶寬比較高。

3.2 電路供電特性實(shí)驗(yàn)

在處理微弱信號(hào)時(shí)，很多因素都可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不僅探測(cè)器和運(yùn)放會(huì)帶來(lái)噪聲，電源噪聲也可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)的供電電源是雙路直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓為5 V，輸出噪聲如圖3所示，可以看出噪聲雖不大但有些尖峰，幅度可達(dá)8 mV。為抑制電源噪聲，運(yùn)放電源電路設(shè)計(jì)了RLC低通濾波器。經(jīng)過(guò)低通濾波器后的波形如圖4，此時(shí)幅度為4 mV。另外運(yùn)放也有一定的噪聲抗干擾能力，可達(dá)到105 dB，故電源噪聲不會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成太大影響。

3.3 信號(hào)屏蔽處理實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證在影響電路輸出的噪聲中，輸入端的導(dǎo)線長(zhǎng)度是否對(duì)輸出有影響。為了使輸出結(jié)果準(zhǔn)確，PIN光電二極管置于自然光中。圖5(a)為PIN直接接入前置放大電路的電路輸出波形，圖5(b)為PIN連接屏蔽導(dǎo)線后接入前置放大電路的電路輸出波形。對(duì)比兩圖可以看出雖然輸出波形頻率沒(méi)有變，但圖5(b)輸出波形的幅度有所增大，在電路工作時(shí)可能會(huì)影響輸出結(jié)果。所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電子器件最好直接接入電路，以免引起不必要的誤差。

通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，在設(shè)計(jì)光電探測(cè)器前置放大電路時(shí)，所設(shè)計(jì)的前置放大器要具備低噪聲、高增益、低輸出阻抗以及要具有良好的抗干擾性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，還要充分考慮環(huán)境噪聲、輸入信號(hào)的頻率、運(yùn)算放大器的帶寬等因素對(duì)前置放大電路的影響，只有這樣才能使設(shè)計(jì)出的前置放大電路的性能達(dá)到最佳。

[1]雷玉堂.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009：2-7，5-10.

[2]明海，張國(guó)平，謝建平.光電技術(shù)[M].合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，1998.

[3]江月松.光電技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000：4-5，16-25.

[4]繆家鼎，徐文娟，牟同升.光電技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2004：140-141.