PIN光电探测器低噪声前置放大电路设计

该信号幅度与叠加在其上的噪声信号幅度相差不多时，有用
的信号很可能被噪声所淹没[1]，而无法有效地输出。
光电探测器噪声[2]包括热噪声、散粒噪声、1/f 噪声、产
生－复合噪声和温度噪声等，一般光电器件中主要的内部
噪声是热噪声和散粒噪声。
放大器一般采用多级级联的方式，当第一级增益较高
时，根据噪声系数的计算公式
Abstract: This p a p e r d e s ig n a low- nois e p hotod e te c tor p re a mp lifie r,s e le c t low - nois e d e vic e s ,d e s ig n
b a nd p a s s filte r,a c hie ve imp e d a nc e ma tc h a nd e limina te the nois e .The c irc uit is d rive n b y the p os itive 15V、
实现功率传输的最大化。
电路的下限截止频率主要由 R7、C4 等决定，电路的
上限截止频率主要由 R3、R4、R2、R3 等决定。下限截止频
率为
fL=
1 2πRC
，上限截止频率为
fH=
1 2πR'C'
，fL~fH 即为
放大电路的带宽，带宽设置合适可以有效滤除噪声，而且
fH 对输出信号上升时间有很大的影响，两者的关系为 TrfH=0.35，所以设计电路时可根据上升时间的要求初步 确定带宽。
13，暗噪声电压峰峰值 VN(mV)≤10，闭环增益 A(dB)≥60 等指标，表明该文方法可以为低噪声前置放大电 路设计提供指导。
关键词：光电探测器；低噪声；响应度；上升时间；闭环增益
中图分类号：TN215;TN721
文献标识码：A
文章编号：1003- 0107(2012)03- 0043- 04
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图 10 大光功率下输出波形图
根据测试结果，计算增益为：
A(dB)=20log V0 =20log 233 =61.3
Vi
0.2
这与仿真结果是完全吻合的。
根据仿真结果，计算出上升时间为：
Tr(ns)= 0.35 = 0.35 =12.5
fH 28M 这与测试结果也是完全吻合的。
(8)
(9)
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别如图 5 和图 6 所示。
图 4 输出方波信号
图 8 驱动激光器的输入脉冲信号
图 5 对输出信号进行傅里叶变换
图 9 小光功率下输出波形图
上升时间 Tr(ns)=12.4≤13，下降时间 Tf(ns)=11.6≤ 13，输出脉冲宽度 τ(ns)=20；在大光功率 2mW 激光的照 射下，输出波形饱和，最大输出 Vmax(V)=1.39≥1.3(如图 10 所示)，系统的暗噪声波形如图 11 所示，暗噪声电压峰峰 值 VN(mV)=8.4≤10。
Is=Ri×P=0.25A/W×1μW=0.25μA
(5)
当光功率为 1μW 时，因 R1 比较大，分得的电流
Is'≈0.1μA，根据式(3)可计算出：
Vo=Is'×R1=0.1μA×2kΩ=0.2mV
(6)
ห้องสมุดไป่ตู้
1.1.2 带通滤波器和电压跟随器
为了降低输入信号和电路的噪声，此电路设计了一
1.1.3 震荡和噪声的消除
Is=Ri×P
(1)
在实际应用中，当取样电阻 R1 较小时，输出电压为：
Vo=Is×R
(2)
当 R1 较大时，因光电二极管结电容等的分流作用，
流经 R1 的电流为 Is'×Is，输出电压为：
Vo=Is'×R
(3)
此电压信号 Vo 为后续电路的输入信号。
个带通滤波器，通过设置合适的工作点和元件参数，确定
Key w ords: p hotod e te c tor;low- nois e ;re s p ons ivity;ris e time ;c los e d - loop g a in
CLC num ber:TN215;TN721
Docum ent code:A
Article ID：1003- 0107(2012)03- 0043- 04
图 3 光电二极管等效电路
在仿真时，需要首先对选用光敏面直径 φ=2mm 的 光电二极管进行建模，由电流源、电容和电阻构成（如图 3 所示）。在对放大电路进行基本偏置点仿真确定工作点 正常之后，首先对放大器进行时域(瞬态)分析，在输入端 加一个方波信号，经过放大电路之后，输出仍然是一个完
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电子质量 （2012 第 03 期）
图 6 幅频特性曲线
从图 7 中可以看出，信号和噪声电流经过带通滤波 器之后，噪声被有效地抑制了，而信号被有效地放大了， 放大倍数大于 60dB，频带宽度约为 200kHz～28MHz。
图 7 增益与频率关系曲线
将电路制作成直径 φ=12mm 的 PCB 电路板，连接 电源、信号发生器、激光器以及示波器等，激光波长为 850nm，输入脉冲信号脉宽为 20ns，频率为 10kHz(如图 8 所示)。在小光功率 1μW 的激光照射下，输出波形如图 9
作者简介：杨小优(1987- )，女，硕士研究生，主要研究方向为模拟集成电路设计。
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PIN 光电探测器低噪声前置放大电路设计
电子质量 （2012 第 03 期）
BFS483 设计了一个电压跟随器。光信号经过光电二极管 之后转变成电流信号，电流信号流经转换电路之后变成 电压信号[4]，电压信号经过低通滤波器和高通滤波器构成 的带通滤波器之后[5]，将频带宽度之外的噪声滤掉，有效 地保留并放大了有用信号，最后信号经过电压跟随器，放 大电流信号，保证最大输出幅度。
摘 要：该文设计了一款 PIN 光电探测器的低噪声前置放大电路，选用低噪声器件，设计带通滤波电路，实
现阻抗匹配，消除噪声。该电路由 +15V 和±5V 三电源驱动，照射激光波长 λ=850nm，光脉冲频率
f=10kHz，光脉冲宽度 τ=20ns。通过软件仿真及实物测试，达到响应度 Re(V/W)≥2×105，上升时间 Tr(ns)≤
NF=NF1+
NF2G1
1
+ NF3- 1 G1G2
+…可
知，NF 主要是由第一级决定的[3]，所以前置放大电路对于设
定整个探测器系统的噪声系数的作用是举足轻重的。
1 前置放大电路设计 1.1 电路结构
前置放大电路的电路结构如图 1 所示。
图 1 前置放大电路图
本电路设计选用了一个高响应度低噪声光敏面直 径 φ 为 2mm 的 PIN 光电二极管、两个低噪声运算放 大器 MAX4305 和一个低噪声晶体管 BFS483，电路结 构分为四个部分：第一部分为光电转换电路；第二部分 用 MAX4305 设计了一个二阶低通滤波器；第三部分用 MAX4305 设计了一个一阶高通滤波器；第四部分用
图 2 光电转换电路
此次电路设计使用的 PIN 光电二极管电流的响应度
Ri=0.25A/W，最小探测光功率 P=100nW，主要测试光功 率为 1μW，取样电阻为 2kΩ，因此，根据式(1)可以计算
出在 100nW 下，有：
Is=Ri×P=0.25A/W×100μW=25μA
(4)
在 1μW 下，有：
Yang Xiao- you,Tang Zheng- w ei,Zhou Ping,Xi Jing,Xiang Dao (Institute of Optoelectronic Engeering,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065）
ris e time ≤13ns ,nois e volta g e p k- p k≤10mV und e r d a rk b a c kg round , c los e d - loop g a in ≥60d B,whic h ind i-
c a te the me thod us e d in this p a p e r c ould p rovid e d ire c tion for the low- nois e p re a mp lifie r c irc uit d e s ig n.
参考文献：
[1]OKI E,JINGZG,ROJAS- CESSAR,et al.Concurrent round robin- based dispatchingschemes for clos- network switches [J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2002,10 (6): 830- 844.
PIN 光电探测器低噪声前置放大电路设计
整的方波信号，仿真结果如图 4 所示。说明放大器能进行 所示，电压响应度为：
无失真地传输。对输出的方波信号进行傅里叶变换之后， 可以看出信号的低频和高频都在一个带宽范围之内，分
Rv(V/W)=
Vout P
= 233mV
1μW
=2.33×105≥2×105
(7)
点都用一个 RC 电路与其相连，实现阻抗匹配。
电压跟随器虽然无法放大电压信号，但可以放大电
流信号，通过设置合适的工作点，使得 BFS483 有足够的
管压降，就能保证最大输出达到要求。此前置电路主要是
为后级输入电阻为 50～100Ω 放大电路提供输入信号，
电压跟随器可以降低输出电阻[6]，与后级达到电阻匹配，
电子质量 （2012 第 03 期）
一种基于全局调度的改进 CLOS 结构及其调度算法