用于高压光纤电流传感器的前置放大电路

用于高压光纤电流传感器的前置放大电路

0光电检测方法光学技术是将传统的光学技术与现代的电子技术和计算机技术紧密结合的高科技技术。这是获取光信息和提取其他信息（如力、温度、声音、电压、生物）的重要手段。采用光电检测方法就是把调制到光载波上的有用信号解调出来,实现光信号到电信号的转换。因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的,各种噪声的干扰直接影响有用信号的测量精度,这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高响应度、小的附加噪声、快的响应速率且具有能处理所需要的数据率的足够带宽。另外,与探测器相连的前置放大电路也应当设计合理,以获得大的动态范围和高的信噪比。本文基于这一思想在实验过程中总结设计出一种实用的前置放大电路,这一电路已被应用于高压光纤电流传感器中,并取得了较理想的效果。1sip/等效电路半导体材料对光的吸收遵从如下指数规律式中,α(λ)是当光的波长为λ时的吸收系数;P0是入射于光探测器上的光功率;而P(x)是在距离x中吸收的光功率。如果耗尽区的宽度为w,并考虑到光电二极管的入射面的反射率为Rf,那么,由于光功率的吸收而产生的平均光电流IL由下式给出其中,q是电子电荷量,hv是光子的能量。光照下,PIN光电二极管PN结的伏安特性为式中,I0为PN结的反向饱和电流,V为包括外电压和光电压的实际结电压;k为玻尔兹曼常数,T为探测器的工作温度。由式(3)可得以IL为参量的伏安特性曲线(如图1)。从图中可以看出光电二极管的反向输出电流与照强度成正比。图2给出了PIN光电二极管的等效电路。它包括光电流Ip,暗电流Id,结电阻Rd,结电容Cd的并联。其中暗电流对应于工作电压下没有光照时的输出电流,Rs为串联电阻,其值远小于负载电阻RL,通常可以忽略。在应用时,要求光伏探测器工作在线性范围内。因此必须保证Rd?RL?Rs,器件近似以短路方式工作,其输出电流为这时,只需满足式(4)中,器件趋于理想短路条件:为光探测器的量子效率,即短路电流I与入射于探测器上的光功率P0成正比,并且不受工作温度的影响。2次反馈pn结构PIN光伏探测器的输出电流很小,易受干扰及噪声的影响,需要设计良好的低噪声前置放大电路对弱电流进行放大,以驱动后级电路工作。图3是光电转换前置放大电路。图中外反馈为工作于短路方式下的基本放大电路。这种外反馈电路可使探测器对输入的光功率具有高的分辨率和大的测量范围,并能减小电路噪声。其电压输出为式中,;f为信号频率,R为反馈电阻。在信号频率范围内,f?fh,故因为PIN工作于短路方式,此电路大大降低PN结正向电流(即暗电流)带来的影响,并使光电二极管得到最佳的信噪比,被放大的信号只与光强成正比。图中虚框1内是在基本反馈电路基础上附加的内反馈电路,可用R3、R4、C2控制A2增益响应特性。在直流情况下,该反馈由C2断开,此时放大器的开环增益是两个放大器开环增益的乘积。合理的设置的比值有减小噪声带宽的功效。图中R2是为了补偿因R1过大所造成的直流误差,R2上的并联电容Cp用以去除它上面的杂散噪声。图中外反馈电阻上并联的电容C1为消振电容(因二极管的结电容较大),C1的加入减小噪声带宽(后详述)。C1值的确定,要根据信号频率的要求来计算。电路的幅频特性如图4所示,此增益曲线因放大器的开环极点和R3、R4组成的积分器响应极点而两次下降,当频率继续增加时,由A2组成的运放的增益为,组合放大器总的开环增益为,使组合放大器的频带变窄,从而使噪声频带变小,消除的噪声增益为图中阴影区,而信号频带基本不受影响。3反馈电阻的影响在频率带宽Δf内前置放大器的噪声源有:电压噪声En,电流噪声In,电阻热噪声及自身电流噪声。等效输入噪声电流为由式(8)可以看出,在输入噪声电流中,随着反馈电阻R1增加,电压噪声En/R1所占的比例减少,电阻噪声及自身电流噪声的含量也减少。因此,在光生电流确定的前提下,增加反馈电阻能改善信噪比。虽然式(7)表明,随着反馈电阻R1增加,输出噪声电压也会增加,但由于信号电压随R1先行增加,故两者的比值是随R1的增加而减少,即大的反馈电阻能改善信噪比。对前置放大电路来说,存在信号输入端的杂散相加点电容Cx(如图3虚框2所示),它对输出噪声起着十分有害的影响。电容Cx包含固有的信号源电容,印制板的杂散电容和输入引线电容。对于补偿相加点电容来说,增加了反馈电容C1还能使噪声带宽减少。在考虑反馈电容后,输出噪声电压变为可见,反馈电容C1具有减少输出噪声电压之功效。4光电检测及其他电路设计1)光电二极管的结电容Cd、并联电阻Rd应尽量大,由图4可知,Cd不仅影响噪声带宽,而且影响噪声的大小。而大的Rd减小光电二极管的暗电流。2)PIN为零偏工作时暗电流小,小的暗电流有利于提高有用信号的精度,并且使用也比较方便。3)电路中放大器可选用以JFET为输入级的前置运放,这种运放的输入偏置电流很小,且小的偏置电流在很宽的温度范围内保持不变,JFET型运放的功耗也是最小的。4)选用前置放大器时,注意尽量使放大器的,及放大器要与选用光电二极管相匹配,以达到噪声系数最小的目的。5)反馈电阻在满足频带宽度的情况下应尽量大,以提高测量的信噪比(如式(8)分析)。6)光电检测电路必须用金属外壳来屏蔽。另外,摩擦电,外界振动、输入连接及输入电缆等都能引起误差和漂移。要尽可能严格的连接,避免电缆的振动。优质的低噪声或地渗露电缆也可缩减泄露电流,并尽可能缩短输入连接线路。5高压光纤电流检测电路上述的光电检测电路已被成功的应用到高压光纤电流传感器中。实验中选用材料为InGaAs的PIN光电二极管,它的接收面积大、灵敏度高、结电容和暗电流低:放大器选用BURR-BROWN公司的低偏置电流单片运放OPA129。按照图3a搭接电路。根据所测工频信号的要求,分别取R1=2MΩ,C1=800pF,R2=100kΩ,Cp=0.1μF,R3=50kΩ,R4=1kΩ,C2=1μF。在检验电路时,直接用直流信号进行试验,测得电压与输出光功率的曲线如图5所示。可以看出该电路的线性度是