光电二极管中信号接收电路的噪声分析与补偿

光电二极管中信号接收电路的噪声分析与补偿

在许多机器中，需要检测弱电子光明。荧光信号检测器通常由荧光信号传感器和荧光信号识别电路组成，不仅干扰外部噪声，而且影响内部噪声。可选用的荧光信号传感器有:CCD成像系统、光电池、光电二极管、雪崩二极管和光电倍增管(PMT)等。PMT性能最好但价格最贵,光电二极管比较便宜,体积小巧,在各种仪器中得到了日益广泛的应用。由于荧光信号比较微弱,因此设法降低荧光信号接收器的噪声是成功设计的关键。1反偏置工作模式光电二极管和运放之间可以接成I-V变换电路形式(跨阻放大器),如图1a和1b,输出电压均为VO=IP·RF。光电二极管可以两种模式工作,一是零偏置工作(光伏模式,如图1a),二是反偏置工作(光导模式,如图1b)。在光伏模式(Photovoltaic)时,增益较小,光电二极管可非常精确地线性工作;而在光导模式(Photoconductive)时,增益较高,光电二极管可实现较高的切换速度,但要牺牲线性性。在反偏置条件下,即使无光照,仍有一个很小的电流,叫做暗电流(无照电流)。在零偏置时则没有暗电流,这时二极管噪声基本上是反馈电阻RF产生的热噪声。在反偏置时,由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。在设计光电二极管过程中,通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的,而不是设计一种适用两种模式的且最优化的电路。2光电噪声的测量上面谈到的噪声仅是二极管自身的噪声。图1中无论那种模式,整个接收器电路的噪声由三部分组成:(1)光电二极管的噪声(光伏模式仅热噪声,光导模式为热噪声与光电流产生的散粒噪声之和);(2)反馈电阻Rf上产生的噪声;(3)放大器的噪声。为便于分析,以光导模式为例。这时,光电二极管的噪声由散粒噪声和热噪声组成,以散粒噪声为主,热噪声可以忽略。散粒噪声通常是由流过器件的电流的随机涨落产生的。没有光信号时,该电流为暗电流,散粒噪声就由暗电流产生。光电二极管的散粒噪声电流为:式中q-电荷(1.6×10-19C)Id-暗电流(A);Ip-光电流(A)Δf-噪声带宽(Hz)反馈电阻的热噪声电流如下式所示:式中k-波尔斯曼常数,1.38x10-23JK-1;T-开氏温度(K);Δf-噪声带宽(Hz);Rf-反馈电阻;在加有电压的情况下,一般来说,在整个噪声中,散粒噪声将是主要的成分。最后是放大器贡献的噪声。该噪声决定于放大器使用时的接法并且也是频率的函数。放大器噪声电流in(amp)由下式给出:式中iamp-放大器输入漏泄电流;Vamp-放大器输入噪声电压;ω=2πf,f是频率;CT=放大器输入端看进去的总输入电容。iamp和Vamp决定于所使用的放大器类型,这些数值由放大器厂家提供。正确的选择运算放大器是降低整个检测系统噪声和提高其频率响应的关键。整个检测系统的噪声电流为:光电二极管噪声+反馈电阻噪声+放大器噪声,由下式给出:式中可见,整个检测电路的噪声决定于光电二极管、反馈电阻和运算放大器。3低噪声法测试设备的设计由于荧光信号十分微弱,电路设计中首要考虑的是如何降低噪声。3.1反偏置的工作原理如果要求在非常精确的线性和尽可能低的噪声下工作,而且工作频率不是很高,则应选择光伏模式(零偏置),如图1(a)所示。这时光电二极管的增益较小,需要采用尽可能大的反馈电阻才能获得足够的输出电压,因此应在电阻和运算放大器的选择上下工夫。如果要求工作在较高的频率下,应采用光导模式(反偏置)。这时除了注意电阻和运算放大器的选择外,还要增加补偿电容以改善整个电路的频率特性。3.2级公用再增加2.为了获得最大的信噪比(SNR),原则是一级够用就不用二级,一级增益不够时再增加第二级。因为每引入一级放大器就增加一级噪声源,而且后级对前级的噪声要逐级放大的。3.3双极型运算放大器ad805除了考虑选用低噪声和低漂移的运放外,要选用高输入阻抗低偏流的运放。因为要精确测量数10pA数量级范围的光电二极管电流,运算放大器的偏置电流不应大于数皮安,因此对运放的选择提出了极高的要求。往往场效应(FET)晶体管构成的运算放大器具有输入阻抗高和输入偏流低的优点,但它的偏置电流却随温度变化,温度每升高10℃就增加一倍。双极型运算放大器没有这个缺点,但是其输入偏置电流往往较大。例如,OP07是一种超低失调电压(10μV)的双极型运算放大器,但是其偏置电流达4nA(4000pA)。即使采用偏置电流补偿技术的超低偏流双极型运算放大器(如OP97),在室温下的偏置电流大约也有100pA。必须在较高温度下工作的场合,又要求较低的输入偏流时,可选用BiFET工艺制造的运放,它兼有FET型和双极型二者的优点。选择带FET输入的“静电计级”运算放大器作为光电二极管前置放大器,使用P沟道结型场效应晶体管JFET作为输入级,参见图2。运算其余部分使用双极型工艺设计。为使失调电压和失调电压漂移减至最小,BiFET运算放大器在芯片工艺中采用了激光微调技术,微调内部电阻R1、R2、R3和R4使得运放输入级尽可能地对称。AD795就是采用这种BiFET工艺制作的运放。可作为光电二极管前置放大器,其主要性能如下:3.4运放和同含件的生产为防止因泄漏引起噪声和测量误差,必须考虑电路板布线和器件安装工艺。(2)输入管脚护卫(guarding)与隔离技术该技术就是通过将“灵敏点”(运放的输入端及其引线)与印制电路板上的大电压梯度导线之间进行隔离的防护方法,可以减少寄生电容和寄生泄漏电流。实际上,防护方法就是在灵敏点周围敷设平行的低阻抗导线,该导线的电位固定为地(0V)或电源电压(+VCC)或某一固定的电压值(根据运放接法确定)。它通过将泄漏电流转移到远离灵敏点处而对泄漏电容起缓冲作用。图4是运放反相接法时的护卫技术和印制电路板的布线工艺。2脚通过过孔a由焊接面布线引出或在元件面由同轴电缆引出均可。图5是运放同相接法时的护卫技术和印制电路板的布线工艺。3脚通过过孔b由焊接面布线引出或在元件面由同轴电缆引出均可。(3)悬置引出技术对于更加微弱的荧光信号,意味着需要测量更小的电流,往往是测量飞安(fA)级的电流。这就要求运算放大器的输入阻抗极高和输入偏流极小,如AD549的输入偏流仅为100fA。这时输入引脚(无论是反相接法时的2脚还是同相接法时的3脚)都不能再接到电路板的焊盘上了,否则沿电路板表面的泄漏电流可能就大大超过微弱的输入光电流了。这时应采用“悬置引出技术”,如图6所示。其余引脚焊接在PCB板上,仅将输入引脚(反相接法是2脚,同相接法是3脚)悬空(用尖嘴钳将该引脚弯直了)接至“干净的”聚四氟乙烯隔离绝缘子座上。“干净的”聚四氟乙烯隔离绝缘子是指已加工成形并用“电子水”仔细清洗干燥后且未玷污上粉末或颗粒灰尘的一块洁净的固体聚四氟乙烯材料。(4)PCB板的清洁和隔离涂敷全部元器件安装焊接调试完毕确认无误后,用“电子水”仔细清洗整个PCB板并干燥后,用优质绝缘涂覆材料加以涂敷密封,防止湿气和灰尘侵入。(5)屏蔽除将泄漏电流减至最小之外,整个电路应当用接地金属屏罩进行良好屏蔽,以防通过电磁感应接收杂散的电磁干扰信号。(6)滤波光电二极管的光电信号经过前置放大器放大后,可根据需要在后面增加一级低通滤波器进一步滤掉不需要的噪声信号。还可以在软件上采用小波等高级有效的滤波技术来提取微弱的荧光信号。4实际应用电路设计示例4.1ad295k输出特性图7是一个带有输入失调调零电路的荧光信号前置放大器,光电二极管工作在光伏模式下。调零电路可给同相端提供?1.5mV的偏置电压。电路进行了优化设计,主要性能指标如下(实测):·输出失调误差(在0℃~70℃):30mV;·输出灵敏度:1mV/pA;·输出光电灵敏度:31V/foot-candle;·25℃时总输出噪声:38.6μVRMS(AD795K输出端);·25℃时总噪声RTI:42fARMS,或23.4pAp-p;·R2=1000MΩ时照度范围:0.001~0.36foot-candles;·带宽:18Hz;在AD795K输出端后接一个截止频率为20Hz的单极点的低通滤波器可以使总输出噪声由38.6μVRMS降至26.5μVRMS,但响应速度却降低了。在荧光信号变化较快时就要采用其他方法降低噪声的同时保持足够的响应速度。简单地增加反馈电容CF虽然可以有效地降低高频噪声增益,但同时过大的CF也会使带宽变窄到不可接受的程度。所以最好还是采用后接低通滤波器的做法。4.2具有地下能源补偿功能的2mhz宽光刻预算器5传感器及光电电极的噪声采用光电二极管的荧光信号接收电路设计,首要考虑的是噪声问题。在低速高精度高线性度应用中应采用光伏模式电路(如图7),在高速应用中应采用光导模式电路(如图8)。若要补偿输入失调可采用图7的方法,若要补偿暗电流可采用图8的方法。在器件的选择上和PCB板的布线及元器件安装工艺上都要十分考究,比如反馈电阻RF及补偿电容CF的防泄漏措施、输入管脚的“护卫(guarding)”与隔离技术、输入管脚的悬置引出技术、PCB板的清洁和隔离涂敷、屏蔽和滤波等技术,以期获得尽可能高的信噪比(SNR)。本文论述的技术已经在荧光分光光度计、石油荧光分析仪、生化分析仪、迷你光度计、可见分光光度计、激光血球计数仪和PCR荧光定量分析仪等多种产品中广泛应用,效果良好。放大器的噪声。反馈电阻Rf产生的噪声;光电二极管的噪声;总噪声电流;(1)防泄漏措施和反馈电阻RF及补偿电容CF的选择荧光信号产生的光电流本来就十分微弱,如果电路板(PCB板)上再存在电流泄漏出去的路径,使得流过反馈电阻RF的有效电流减小,就会大大降低整个检测电路的增益(因为VO=IP·RF),或其它干扰噪声电流泄漏进入而流过反馈电阻RF使得输出VO中噪声增加。主要泄漏路径如图3中的虚线所框。反馈电阻RF应采用有玻璃绝缘的陶瓷电阻或玻璃上的薄膜电阻或精密金属膜电阻装在抽真空的玻璃封装内。跨接在反馈电阻两端的补偿电容器CF应采用低泄漏的聚丙烯或聚苯乙烯介质的电容器。与汇合结点(虚地点)的所有连线应足够短。如果用电缆将光电二极管和前置放大器相连接,则电缆应尽量短且用聚