利用三極管對高速大動態光電轉換系統降噪探究

王立娟

摘要：在高速大動態電轉換的過程中，所有的高速開關都會在切換的過程中不斷地產生噪聲，從而使得在高速狀態下的芯片能夠在運行的過程中產生脈沖。一般在大動態光電轉換的過程中將會產生很大的干擾。本文通過實驗有效地分析三級管內部集電極間電阻的特性和基極電壓之間的關系。最終的目的是通過分析三極泄流和三級泄流之間所產生的實驗仿真結果，從而最后分析并聯三級管泄漏過程中的降噪效果。

關鍵詞：三極管；高速大動態；光電轉換系統；降噪措施

引言：

在通信系統發展的過程中，主要運用光纖傳輸技術來代替傳統的技術，并要求配套的測量技術和測量儀器都能夠不斷地進步。在實際生產的過程中，正是因為讓探測和采集過程中產生的目標光電信號變得更好，才會在之后對光電探測器本身的性能和數據采集的速度提出越來越高的要求。

1.三級管對高速大動態光電轉換系統降噪研究的背景

傳統的光電探測器很難在光電轉換系統的內部實現大范圍的變動。在實際高速大動態光電轉換的過程中，一般都是通過使用自動量程的切換設計方案來有效地進行設計，并在之后通過利用高速開關來有效地切換通道內部反饋阻值的大小，這樣往往能夠更好地改變放大的倍數[1]。但是，在使用高速開關切換信號的過程中會產生噪聲。產生的噪聲會使得高速運放的過程進入飽和區，從而延長響應的時間。所以，光電轉換系統內部的效率都會顯得比較低。

本文結合實際案例選擇在切換通道旁邊來并聯三級管，并將其更好地轉變為泄流管道，從而更好地抑制噪聲的產生。在實驗的過程中可以通過分析內部的原理來更好地進行實驗仿真。

2.系統結構

三級管本身都會在高速開關泄流管電路中發揮著重要的作用，整體結構如圖1所示：

整個三極管泄流管本身是由光電二極管、高速運算放大器、反饋電阻和其他構件組成。這些構件將會聯合在一起，并發揮著更大的作用。

3.三極管的特性和作用

3.1三極管特性

所有的三極管在有正向電壓的背景下，射極和基極之間將會形成正向壓降的模式。集電極和基電極之間又會形成反向壓降。在建設的過程中可以滿足三極管放大的要求。通過射極到集電極之間所產生的等效電阻可以做實驗，表1則主要顯示了實驗的主要結果。

從表1的數據可以知道，基極電壓將會影響三極管射極和集電極之間的電阻特性。如果在操作的過程中，基極電壓已經達到了0.5V，那么可以將其視作光電二極管漏電阻。

3.2三級管發揮的泄流作用

當高速開關一直處于工作狀態時，那么總有一路屬于通暢的狀態。但是，只有通過有效地斷開才能夠讓開關有效地進行切換。

當開關一直處于閉合狀態下時，在運算放大器反相運輸的過程中都會產生接近于0的電壓。如果開關一旦斷開，那么跨接電阻的通道也會得以斷開。

小信號在瞬間響應的過程中都會出現小的脈沖。在低速電路發展的過程中，正是由于瞬態響應的時間基本都比較長，所以脈沖時間并不會在其中占據很重要的地位，甚至不會在之后影響后續數據采集過程中的采樣精度。又因為高速運算放大器在實際操作的過程中會保持較高的轉換速率，瞬時響應的時間也會變得很短暫。因此，當舜態響應出現在邊沿脈的時候，響應過程中的每一個環節都不能夠被忽略[2]。又因為過載恢復時間會在其中發生作用，最后，整個邊沿脈沖的比例也會變大。高速電路內部也就會出現脈沖噪聲干擾的現象。

三極管的基極電壓多數都是由使用過程中的輸出端所提供的。不僅發射極處于正偏的位置，而且集電極也出現反偏的現象。光電探測器內部所產生的大部分電流都可以借助三極管射極和集電極的通路來進行流走。在實踐操作的過程中，只有很少一部分的電流會因此流過有效電阻。同時，運算放大器反相輸入端的電壓趨近于零。因此，運算放大器不會在使用的過程中進入飽和區。

4.仿真結果分析

4.1不加極的三級管效果分析

采用壓控開關來模擬高速開關斷開和閉合的過程，一般周期為2ms，整個輸入電壓和輸出電壓仿真的結果如圖2所示。根據測量的結果可以得知，在開關閉合時，輸入的電壓為1.654mV，而輸出電壓為-102.680mV。由T2標線可以得知：當輸入電壓都上升到-4.820V時，輸出的電壓會立刻變成5000V。所有類型的運算放大器也就因此進入飽和區。

4.2加三級管泄流脈沖效果分析

如果三級管內部的運算器已經被明顯地穩定在線性區域時，當開關閉合時，輸入的電壓為-102.573μV，輸出的電壓則會被定為為428.804mV。另外，在開關斷開之后，三極管輸出電壓所產生的影響明顯要更大。其中，運算放大器本身的輸入電壓幾乎為零，而且有著很好的穩定效果。但是，在整體操作過程中，只有在開關閉合的瞬間才會產生輕微地抖動，并不會對輸出的過程產生很大的影響。

從T1-T2的變化可以知道，在加三極管運算法則之后，其運算放大器并沒有因此進入飽和區。整個輸出電壓下降的有效電壓值主要被控制在386.332ns內。

5.結束語

三極管的泄流作用本身將會很好地抑制高速開關切換過程中產生的噪聲，并有效地縮短輸出信號下降時的恢復時間，最終也就能夠實現穩定的輸出。

參考文獻

[1] 王立剛，張殿元. 低噪聲光電檢測電路的研究與設計[J].電測與儀表，2016（3）：29-34

[2] 宋濤，張斌，羅倩倩. 光電轉換電路的設計與優化[J]. 光電技術應用，2017（3）：159-163

（作者單位：廣東省佛山市高明區職業技術學校）