光电检测电路中降低噪声的设计

1、光电检测电路中降低噪声的设计摘要：在光电检测电路中往往要检测一些微弱光信号，但这些信号总是受到一些噪声的影响。本文主要陈述了光电检测电路的基本原理以及噪声的来源，并设计了一种可以减小噪声的光电检测电路，本设计具有电路结构简单、输出信噪比大、通频带宽、检测精度高等特点。关键字：光电检测电路 微弱光信号 噪声1. 引言光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术1。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示2。目前光电检测电路已被应用到许多领域。在光电系统中，光电检测电路是将光学信息或者可变为光学信息的其他信息转换为电信息，进而组成光、机、电、计算机的综

2、合系统，实现光电信息检测的自动化3。但是在光电检测电路中，光信号和电信号也要受到很多噪声的干扰。由于接收的光信号和转换后的电信号通常都比较微弱，很容易淹没在各种噪声中，所以在设计光电检测电路时，要尽量减小噪声，提高系统的信噪比和检测精度。而在系统中，光电检测电路是在最前面的一个环节，如果光电检测电路的噪声比较大，后面的放大和检测系统的输出误差就非常大4，因此设计出噪声很低的光电检测电路非常重要。2. 光电检测电路的噪声来源光电检测电路有许多噪声来源，这些噪声来源可分为系统的外部噪声和内部噪声两种。外部噪声是光电系统受到的外界干扰，包括光辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起

3、伏、杂散光的入射以及检测系统所受到的电磁干扰等。这些噪声可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片以及电气屏蔽、电干扰滤波等措施加以改善或消除。内部噪声是光电系统本身产生的噪声，包括光电检测器件和检测电路等的器件固有噪声。这种噪声是电路的基本物理过程所决定的，只要电路工作，这种噪声就会存在，是不可能人为消除的，但可以通过选择适当的电路元件以及合理的设计电路结构来减小内部噪声。内部噪声是随机起伏的，覆盖在很宽的频谱范围内，和有用信号同时存在，相互混淆5。光电检测电路的设计要尽量减小内部噪声，提高系统的检测精度。光电器件中存在的内部噪声主要有热噪声、散粒噪声、半导体中产生的复合噪声、温度

4、噪声和闪烁(或 1/f)噪声等。3. 检测电路基本工作原理 用光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光电流电压的变换器。首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号6，以减小噪声的影响而检测到微弱光信号。其基本电路如图1所示。 图1 光电流电压转换电路 假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U0=IPR理论上，系统的输出电压U0的值与输入电流IP成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。而实际应用中，由于要受到运放失调电压Vod与偏置电流Ib的影响，其输出电压总要产生误差。误差电压一般为: Ue=Vod(1

5、+R/Rd)+IbR (1)其中Rd为光电二极管的结电阻。由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差较小。因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。4. 检测电路设计 光电探测器所接收到的光信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，对这样的光信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理所需要的电压幅度。具体设计时包括以下几个部分，首先对于光信号进行光电转换（通过光电探测器将光功率转换为光电流）、前置放大电路、滤波电路和主放大电路(第二级放大电路)，其设计框图如图2所示7。图2 光电检测电路框图4

6、.1 光电转换及前置放大的设计 光电探测器件紧密连接一个高性能低噪声前置放大器，其功能是来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。这是光电检测电路的核心部分，对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。前置放大电路第一级输入电阻和偏置电阻的大小是考虑的主要对象。4.2 滤波器的设计 滤波电路的功能是使特定频率频率范围内的信号顺利通过，而阻止其它信号频率通过。为使电路设计简洁并具有良好的信噪比，设计时用滤波器对信号进行处理。与无源滤波器相比，有源滤波器有一系列的优点：不用电感，因而体积小、重量轻，也不存在电感带来的损耗和

7、非线性；频率范围的下限可低至10-3HZ；由于运放的增益大，输入阻抗高，输出阻抗低，因而兼有放大和缓冲的作用。按照滤波电路的工作频带可将其分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加入二阶有源高通滤波电路(如图3所示)，以除去有用信号频带以外的低频噪声（二阶高通滤波器的幅频特性如图4所示），包括环境噪声及由放大器引入噪声。图3 二阶高通滤波图4 高通滤波器幅频特性 对于二阶高通滤波器，系统要求的高通截止频率为f c（截止频率可以通过公式f c=1/RC来进行计算），其传递函数为 (2)其中4.3 主放大器的设计 由于所检测对象本

8、身为微弱量，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计的前置放大电路主要起到电流转电压的作用。由于经过其放大过的信号还不能满足采样电压要求，因此还需应用主放大电路。其主放大电路如图5所示8，其中放大器选用LM308。图5 主放大电路 该放大器的放大倍数为：A=1+R12/R11 (3)其中R12为反馈电阻，R10=R12R11(R12+R11)。5. 结束语 本文应用光电检测技术来检测微弱光信号，设计了一种低噪声光电检测电路。由于该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有噪声低、高增益、精度高、稳定性好、信噪比好等优点，实现了降低噪声的功能。参考文献1 宋丰华. 现代光电器件技术及应用. 国防工业出版社, 2004.2 马声全,陈贻汉. 光电子理论与技术. 电子工业出版社, 2005.3 江文杰,曾学文,施建华. 光电技术.科学出版社,2012.4 王立刚,张殿元. 低噪声光电检测电路的研究与设计.2007.5 郭培源,付扬. 光电检测技术与应用. 北京航空航天大学出版社, 20