光電探測器前置放大電路研究

高 科，孫晶華

（哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱150001）

在弱光檢測中，光電探測器將接收到的光信號變為微弱的電流信號，一般為微安數量級，光電探測器通過放大器將其轉變為電壓信號，只有經過充分的放大和處理才能被記錄下來。加州理工學院曾對光通信中微弱光信號的檢測器使用不同特性的前置放大器，給出了各種比較數據，充分說明前置電路的性能決定整個系統的優良[1]。前置電路若設計得好，會使探測靈敏度提高，從而更好地進行實驗研究；反之，不僅會把輸入信號和噪聲放大，同時還會混進電子器件本身帶來的新噪聲，這對于實際實驗的影響會非常大。基于此點，有必要對光電探測器前置電路進行深入研究。

1 光電探測器

光電探測器是一種將輻射能轉換成電信號的器件，是光電系統的核心組成部分，在光電系統中的作用是發現信號、測量信號，并為隨后的應用提取某些必要的信息。光電探測器的性能參數與其工作條件密切相關[2]，所以在給出性能參數時，要注明有關的工作條件，只有這樣，光電探測器才能互換使用。主要工作條件有：

（1）輻射源的光譜分布

很多光電探測器，特別是光子探測器，其響應是輻射波長的函數，僅對一定波長范圍內的輻射有信號輸出。這種稱為光譜響應的“信號依賴于輻射波長”的關系，決定了探測器探測特定目標的有效程度。所以在說明探測器的性能時，一般都需要給出測定性能時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。假如輻射源是黑體，就要指明黑體的溫度。當輻射經過調制時，則要說明調制頻率。

（2）電路的通頻帶和帶寬

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

（3）工作溫度

許多探測器，特別是用半導體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都與工作溫度有密切關系。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

探測器的信號和噪聲都與光敏面積有關，大部分探測器的信號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

大多數探測器需要某種形式的偏置。例如光電導探測器和電阻測輻射熱器需要直流偏置電源，光電磁探測器的偏置是磁場。信號和噪聲往往與偏置情況有關，因此要說明偏置情況。

此外，對于受背景光子噪聲限制的探測器，應注明光學視場和背景溫度。對于非密封型的薄膜探測器，要注明濕度[3]。

2 三種探測器前置電路設計

2.1 PIN光電二極管前置電路設計

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結的光電效應工作的。所不同的是在結構上，它的結構是在P型半導體和N型半導體之間摻雜著一層較厚的本征半導體。這樣不僅提高了量子效率而且提高了長波靈敏度，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速度快、靈敏度高、長波響應率大的特點[4]。根據PIN光電二極管的這些性質，可選擇兩種放大電路：電流放大型I-V轉換電路或高速響應放大電路。

2.2 光電池前置電路設計

硅光電池是一個大面積的光電二極管，可把入射到其表面的光能轉化為電能。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。當光電檢測中希望得到線性輸出時，應采用低輸入阻抗的電路來完成放大工作。類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光電池內阻，可以視為短路輸出。經放大器放大后，有著良好的線性關系。

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

2.3 光電倍增管前置電路設計

光電倍增管（PMT）的主要工作過程如下：當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統，并通過進一步的二次發射達到倍增放大，再把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。

因為光電倍增管是加上高電壓的電子管，輸出高壓時容易出問題，為了保護前置放大器，必須設計有保護作用的電阻和晶體管，構成保護回路。

3 電路實驗

3.1 運算放大器帶寬特性實驗

在放大電路中，由于所用的集成運算放大器的性能不同，輸出的結果也可能不同，因此選取兩種不同的運放，并用電流放大型I-V轉換電路測試。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(160 Hz)工作時的波形，幅度大約是1 V。輸出幅度變化的臨界點為700 Hz，超過了這個點幅度就開始減小。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，這是因為在相同增益的情況下LTC6240的帶寬比較高。

3.2 電路供電特性實驗

在處理微弱信號時，很多因素都可能影響實驗結果。不僅探測器和運放會帶來噪聲，電源噪聲也可能影響實驗結果。本實驗的供電電源是雙路直流穩壓電源，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8 mV。為抑制電源噪聲，運放電源電路設計了RLC低通濾波器。經過低通濾波器后的波形如圖4，此時幅度為4 mV。另外運放也有一定的噪聲抗干擾能力，可達到105 dB，故電源噪聲不會給實驗結果造成太大影響。

3.3 信號屏蔽處理實驗

本實驗主要驗證在影響電路輸出的噪聲中，輸入端的導線長度是否對輸出有影響。為了使輸出結果準確，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連接屏蔽導線后接入前置放大電路的電路輸出波形。對比兩圖可以看出雖然輸出波形頻率沒有變，但圖5(b)輸出波形的幅度有所增大，在電路工作時可能會影響輸出結果。所以在設計電路時，電子器件最好直接接入電路，以免引起不必要的誤差。

通過實際測試表明，在設計光電探測器前置放大電路時，所設計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。在設計時，還要充分考慮環境噪聲、輸入信號的頻率、運算放大器的帶寬等因素對前置放大電路的影響，只有這樣才能使設計出的前置放大電路的性能達到最佳。

[1]雷玉堂.光電檢測技術[M].北京：中國計量出版社，2009：2-7，5-10.

[2]明海，張國平，謝建平.光電技術[M].合肥：中國科技大學出版社，1998.

[3]江月松.光電技術與實驗[M].北京：北京理工大學出版社，2000：4-5，16-25.

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