光電探測器讀出噪聲分析方法

文/韓振偉 宋克非 劉陽 陳波

1 引言

光電探測器以半導體材料為基質，利用材料的光電效應原理，將入射光或光子轉換為電流或電荷，便于采集測量各個波段的入射光強度。光電探測器廣泛應用于人類日常生活以及科學研究等諸多方面，尤其在空間天文與太陽物理，空間物理、空間環境等領域起著越來越重要的作用。鑒于光電探測器的重要作用，本文詳細闡述了光電探測器工作原理和讀出電路的噪聲分析方法。

光電探測器模型的建立，是進行光電探測器理論研究、為設計提供指導和檢驗光電系統工作準確性和有效性的前提。建立光電探測器的等效電路模型，就是利用電子元件建立能夠反映探測器性能的電路模型，得到一個光電一體化的等效模型，因此建模方法的合理性和準確性是決定模型可行性的關鍵因素。光電探測器與讀出電路整體建模，通過分析電路參數對光電探測器的影響，為電路系統的設計帶來便捷性。在整體模型的基礎上可以通過修改光電探測器模型寄生參數來估算系統噪聲水平，為光電探測器的設計和優化提供指導，實現光電探測器性能的最優化。

2 光電探測器工作原理

光電效應是指入射光子和光電探測器材料中的被束縛電子發生相互作用，使束縛電子變成為自由電子的一種效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩種類型。外光電效應是指入射光子引起光電探測器材料表面發射電子的效應，而內光電效應是指入射光子激發的載流子（電子或空穴）仍保留在探測器材料內部的效應。光電探測器根據結構可以劃分很多類型，包括光電二極管、光電三極管、光電導和光電池等。其中光電二極管又在原有PN結光電二極管的基礎上衍生了 PIN光電二極管、雪崩(APD)光電二極管等多種形式。

由于光電二極管具有線性范圍寬、光譜響應度高、結構簡單和可靠性高等優點，其被廣泛應用于空間科學探測領域。下面主要介紹常見的PN結光電二極管的工作原理。光電二極管常用工作模式可以分為兩種，一種是零偏置工作（也稱為光伏模式），第二種是反偏置工作（也稱為光導模式）。在光伏模式時，光電二極管可以在較寬的范圍內線性工作；而在光導模式時，光電二極管可具有較高的響應速度，這通常以減少線性范圍為代價。在反偏置工作條件下，即使無光照也會存在暗電流。在零偏置工作條件下則沒有暗電流，此種狀態下光電二極管噪聲基本上是等效電阻產生的熱噪聲，但在實際工作狀態下，讀出電路會對光電二極管產生較小的偏置電壓，所以依然會出現暗電流或者暗噪聲現象。在反偏置工作條件下，由于導電產生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。在光電二極管應用過程中，需要根據兩種模式的特性，對設計方法進行優化，得到較好的性能。

圖1：信號處理采集電路框圖

圖2：光電二極管放大電路噪聲模型

光電二極管在零偏壓狀態下實現光電轉換過程簡單高效，當特定波長的入射光照射在光電二極管表面，光子能量被半導體所吸收后，價帶中的電子被激發到導帶中，而在價帶中留下空穴，產生電子和空穴對。電子和空穴受到耗盡層中的電場的加速分別向N區和P區運動，當讀出電路連接至PN結兩端，電子和空穴會定向移動形成電流。當光照為零時，光電二極管由于熱運動產生的電流為暗電流，也稱為暗噪聲。在精密光電測量領域，微弱入射光產生的光電流也非常微弱，此時光電二極管自身的暗噪聲就不可忽略。

3 讀出電路方案設計與分析

光電二極管信號處理采集電路分為三個模塊，電流轉電壓電路、二級放大電路和AD轉換電路，電路原理框圖如圖1所示。

光電二極管等效電路和信號處理電路噪聲模型如圖2所示。Id代表二極管產生的光電流，Cd代表二極管等效電容，Cf代表反饋電容提供電路穩定性，en1、en3、en5和en6代表電阻元器件的熱噪聲，en2和en4代表放大器的電壓噪聲，in代表放大器的電流噪聲。

當次要噪聲源低于三分之一主要噪聲源時，次要噪聲源導致的誤差會非常小總噪聲源就可以認為是次要噪聲源可以忽略不計。所以需要首先評估電路每一部分的噪聲源貢獻，確定哪些噪聲源為主要的，這樣便于分析運算放大器電路的噪聲性能。為了計算簡便，通常可以用噪聲頻譜密度來代替實際電壓，從而將帶寬因素排除在計算之外。圖2種可以看到共有7個獨立噪聲源，包括4個電阻的約翰遜噪聲、運算放大器電壓噪聲和運算放大器各輸入端的電流噪聲。放大器輸出端噪聲由這些不相關噪聲源共同決定。噪聲水平一般用等效輸入噪聲來衡量，但是在分析計算過程中，輸出端噪聲比較利于方便計算，通常將求得的輸出端噪聲除以放大器的噪聲增益便可以得到等效輸入噪聲。

光電二極管以AXUV100G型號為例，等效電阻在25℃下為20M，折算至IV轉換電路輸出端噪聲密度為2.8μv/。前置放大電路采用電流轉換電壓（IV轉換）電路形式，運算放大器選用AD公司的靜電計級放大器AD549SH，偏置電流75fA，等效輸入電壓噪聲在0.1Hz～10Hz為6μVpp，等效輸入電流噪聲在0.1Hz～10Hz為0.5fArms。反饋電阻選用100M，等效電壓噪聲密度為1.26μv/。IV轉換電路設計帶寬為10Hz，光電二極管與IV轉換電路總輸出噪聲為13.84μVrms。二級放大電路選用低噪聲精密放大器OP27A，等效輸入電壓噪聲密度為3.5nv/，在40倍增益檔位下，IV轉換電路與二級放大電路總輸出噪聲為554.3μVrms，等效為電路前端輸入電流噪聲0.14pArms。

4 結束語

本文給出了一種光電二極管讀出電路的設計方案，通過優化光電二極管等效電路模型和系統噪聲分析計算方法，實現了低噪聲光電探測電路。該電路適合應用于微弱光探測場合，光電流探測可達到pA量級。