光电探测器前级放大电路设计与研究
关于光电检测电路的设计与研究
关于光电检测电路的设计与研究光电检测电路是一种用于检测光信号的电路，它可以将光信号转换成电信号，常用于光电传感器、光电开关、光电编码器等设备中。
光电检测电路的设计与研究在工业自动化、智能家居等领域有着广泛的应用。
本文将就光电检测电路的设计与研究进行探讨，希望可以对读者有所帮助。
一、光电检测电路的基本原理光电检测电路主要由光电传感器、前置放大电路、滤波电路、比较器等组成。
光电传感器是光电检测电路的核心部件，它能够将光信号转换成电信号。
前置放大电路可以放大光电传感器输出的微弱信号，提高信噪比；滤波电路用于抑制杂音和滤除干扰，提高电路的稳定性；比较器则可以将输出信号与阈值进行比较，判断光信号的强弱。
二、光电检测电路的设计要点1. 选择合适的光电传感器：不同的应用场景需要选择不同类型的光电传感器，比如光电开关需要选择具有高灵敏度、快速响应的传感器；光电编码器需要选择具有较高分辨率、较高信噪比的传感器。
2. 设计合理的前置放大电路：前置放大电路对于提高信噪比至关重要，需要选择合适的放大倍数和合适的放大器类型，同时要考虑电路的稳定性和抗干扰能力。
3. 合理设计滤波电路：滤波电路需要根据应用场景选择合适的滤波器类型，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器等，以滤除掉不需要的频率成分。
4. 选择合适的比较器：比较器需要选择合适的阈值电压和工作模式，以确保能够准确判断光信号的强弱。
三、光电检测电路的研究现状随着光电技术的不断发展，光电检测电路的研究也在不断深入。
目前，针对不同的应用场景，已经出现了许多高性能的光电检测电路方案，比如针对高速信号检测的差分式光电检测电路、针对低功耗应用的低功耗光电检测电路等。
一些新型的光电传感器技术也在不断涌现，比如基于纳米材料的光电传感器、基于微纳加工技术的集成光电传感器等，这些新型的传感器也为光电检测电路的设计提供了新的思路和可能。
四、光电检测电路的应用展望光电检测电路在工业自动化、智能家居、医疗仪器等领域有着广泛的应用前景。
一种光电探测系统前置放大电路的设计
３ 前置放 大器 的设计
光 电探测 器前 级放 大 电路 的设 计 通常从 两方
∞ ＝ ［ ｆＣ＋ Ｃ） ２ Ａ Ｒ（ Ａ ｆ ］
（） ２
若杂 散 电容很小 ， 《 Ｃ， ‘ ＝Ａ （ 。 ＣＡ 则 Ｉ ） ／ ＲＣ） ： 可见 ， 阻放 大器 的带 宽 比一般 高 阻 抗放 大 器 的 跨 带宽 至少展 宽 了 Ａ 倍 ， 但是 ， 实际 上 Ａ 不 能无 限 制增 大 ， 着 Ａ 的增 大 其 中 杂 散 电容 会 随 之 增 随 大 ， 且为 了增 大 Ａ 必 须要 增 加 放 大 器 的 级数 ， 并 这 样 会增加 附加 相移 ， 引起不 稳定 。 同时 ， 反馈 电
本文采用较小结电容和较快响应时间的国产 光电接收二极管（ Ｉ ） Ｄ ３０ ， ＰＮ Ｇ ３ １Ｙ 其结电容 ５ｐ ， ０Ｆ 暗电流 １０ Ａ， 敏 面直 径 ８ ｍ， ０ｎ 光 ｍ 响应 时 间 ２ ｎ。 ５ ｓ 由于探测器在光导形式下工作 ， 等效为电流源， 光
第０ 第 期 ３卷 １
第３ Ｏ卷第 １ 期 ２ １ 年 ３月 ０２
蠢
Ｊｃ ｌ ＨＥＮＧＤｌ ＡＮＬ ）Ｔ Ｉ ＯＮＧＸＵ Ｎ
Ｖ０． ０ Ｎｏ １ １３ ．
Ｍ８＂ ０１ １２ ２ ．
一
种 光 电探 测 系统 前 置 放大 电路 的设计
薛海 英
（ 北方通 用 电子 集 团有 限公 司微 电子部 苏州 ２５６ ） １ １３
面着手 ：１ 设计合适的电路形式。（ ） （） ２ 选择合适 的器件 。 前置放大器的作用是将光电探测器送来的微
弱 电流信号转换为相应 的电压信号， 所以要求前
置放大器有足够小的噪声 、 当的带宽和一定 的 适
光电探测器前置放大电路研究
光电探测器前置放大电路研究在弱光检测中,光电探测器将接收到的光信号变为微弱的电流信号,一般为微安数量级,光电探测器通过放大器将其转变为电压信号,只有经过充分的放大和处理才能被记录下来。
加州理工学院曾对光通信中微弱光信号的检测器使用不同特性的前置放大器,给出了各种比较数据,充分说明前置电路的性能决定整个系统的优良[1]。
前置电路若设计得好,会使探测灵敏度提高,从而更好地进行实验研究;反之,不仅会把输入信号和噪声放大,同时还会混进电子器件本身带来的新噪声,这对于实际实验的影响会非常大。
基于此点,有必要对光电探测器前置电路进行深入研究。
1光电探测器光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件,是光电系统的核心组成部分,在光电系统中的作用是发现信号、测量信号,并为随后的应用提取某些必要的信息。
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关[2],所以在给出性能参数时,要注明有关的工作条件,只有这样,光电探测器才能互换使用。
主要工作条件有:(1辐射源的光谱分布很多光电探测器,特别是光子探测器,其响应是辐射波长的函数,仅对一定波长范围内的辐射有信号输出。
这种称为光谱响应的“信号依赖于辐射波长”的关系,决定了探测器探测特定目标的有效程度。
所以在说明探测器的性能时,一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。
如果辐射源是单色辐射,则需给出辐射波长。
假如辐射源是黑体,就要指明黑体的温度。
当辐射经过调制时,则要说明调制频率。
(2电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能,噪声电压或电流均正比于带宽的平方根,所以在描述探测器的性能时,必须明确通频带和带宽。
(3工作温度许多探测器,特别是用半导体材料制作的探测器,无论是信号还是噪声,都与工作温度有密切关系。
所以必须明确工作温度。
最通用的工作温度是:室温(295K、干冰温度(195K、液氮温度(77K、液氯温度(4.2K以及液氢温度(20.4K。
(4光敏面尺寸探测器的信号和噪声都与光敏面积有关,大部分探光电探测器前置放大电路研究高科,孙晶华(哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:在弱光检测中,光经过光电探测器转换为电信号,此信号极其微弱。
光电探测中低噪声前置放大器的设计_兰羽
Ｕｏ 理论值 ０Ｖ ０．２２Ｖ０．４４Ｖ０．６６Ｖ０．８８Ｖ １．１０Ｖ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｆａｉｎｔ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｏｕｒｃｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｈｅｎ ａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｇａｉｎｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ｎｏｉｓｅｓ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｉｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅ ｐａｒ－ ａｌｌｅｌ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ｎｏｉｓｅｓ－ｍａｔｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅｓ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅｓ ｆｒｏｍ ｐｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ａｍ－ ｐｌｉｆｉｅｒｓ．Ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ １０ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３ｔｉｍｅｓ．Ｉｔ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｈｏｗ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐａｓｓｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｔｏ ａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｐｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｎｏｉｓｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｅｓｔｉｎｇ
接地的处理电路由于两接地点间或接地点与大2地回路中的电流使它们形成一定的地间有一定的阻抗电位差从而形成干扰源习惯称为浮地解决的办法是改并联放大器实现噪声匹配32电路调试在万能板上按照图2安装电路电路均采用集成运放第一级由1a7410个放大倍数为11同相放大器并联构成第二级对前级1第二级实际放0支并联输出反相求和
光电转换前置放大电路设计
光电转换前置放大电路设计 探测器是光电转换的核 心器件，能够将接受 到的光强信号转换成电流信号，
在弹光调制光电 转换电路中，采用了美国Thorlabs 公司型号为 FDS02的硅光电二极管，其波长范围为 400 nm～ l 100 nm，灵敏度峰值为0．47 A／w，暗 电流为35 pA～500 pA。图5为光电转换和前置级放 大部 分电路，通过理论分析，电路输出电压为
因此在设计中选用了具有较宽频 带的低噪声放大器 AD8072作为电路的运放。电 容C。：起到相位补偿， 防止电路自激震荡的作用， 抑制了噪声干扰[8。9]。
电转换+R10)／R17]一S×P× R16×[(R1， +R1。)／R17]
式中：S为光电二极管的灵敏度；P为入射光功率。 增大电阻R。。的阻值，可以提高输出电压，但是会 引起上升时间的增加，响应速度下降，设计中取 R。。为1．1 kD,。通过对干涉信号的分析可知，信 号 最大频率与光程差和高压谐振电路的谐振频率呈 正相关，光程差的不断提高使得探测的电信号的 频 率变得极高。
基于APD的光电探测器电路研究与设计
由式（１）和式（４）相加，便得到放大器输入端Ａｆ带 宽内总噪声功率密度为：
Ｊｌ＝Ｊｔ２＋Ｊｎ２＝４ＫＴ ＲＡｆ＋４ＫＴＲ
ｎ
ｃｃ’２（Ｃｏ＋Ｃ－）２Ａｆ
在整个频带内积分得：
瑶＝ＩＪｍ（Ｉｄ／Ａｆ）ｄｆ＝
４ＫＴ去，。＋萼兀２ＫＴＲ。（Ｃｏ＋ＣＩ）２ｆ２（５）
已知范德蔡尔式：
尺。：要．土 ｇｍ
ｏ
则：
１７９
号衰减４ ４００倍后为４．５肛Ｖ，送到被测放大器输入端。 将信号发生器的频率从ｉ０ ｋＨｚ～３ ＭＨｚ逐级变化，同
万方数据
刘辉珞：基于ＡＰＤ的光电探测器电路研究与设计 尽量排除各种干扰因素的存在。尽管电路已采取了屏 蔽，而且对噪声发生器和放大器间的连接也采取了短线 近连等措施，但为了排除外界干扰，要使得测量数据更 准确，在测量时间上还是采用了午夜测量。 测量数据选用平均值，将测得的Ｅｎｉ＝０．４５弘Ｖ作 为ＡＰＤ探测器光电信号前置放大器的等效输入噪声。 其结果数据对计算探测器光电信号前置放大器输入信 噪比，以及做ＡＰＤ的有关噪声实验提供了十分重要的
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ＡＰＤ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ＳＮＲ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ
ｐａｒｔｓ
ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｓｅｐａｒａｔｅｄ
１．８ ｍＶ。
＝１０ｌｇ（露ｕ０）＝２０ｌｇ Ｊ∞ ｉ
Ｊ
２０１９焉习囊毒霖雨 ∥啄丽√壶＋号兀２去‘ｃ。＋ｃｉ）２詹
２光电探测器电路设计
输出／输入△１．８ ｍＶ／４．５弘Ｖ＝４００ ３．２光电探测器等效输入噪声的测试 利用噪声发生器法测量前置放大器等效输入噪声。 用自制的简易噪声源电路产生０＂－－１ Ｖ电压为带宽白噪 声。校准噪声源表示成一个与ＡＰＤ内阻Ｒ。串联的噪 声发生器，一般取Ｒ。＝１００ ｋｎ左右。系统的等效输入 噪声相加为Ｅ血，放大器和发生器的噪声测得为Ｅ。。
4-3光电探测器的放大电路
Ap1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。
12
由
pn 得： NF 1 AP pni
Pn NF 1 Ap Pni
每个放大器单独和源相连接时，得到：
Pn1 NF1 1 Ap1 Pni Pn 2 NF2 1 Ap 2 Pni Pn3 NF3 1 Ap 3 Pni
Ap为三级放大器的总的功率增益：
Ap Ap1 Ap 2 Ap3
14
所以：
NF1, 2,3
Ap 2 Ap3 Pn1 Ap3 Pn 2 Pn3 Pn 1 1 Ap Pni Ap1 Ap 2 Ap3 Pni
Pn1 Pn 2 Pn3 1 Ap1 Pni Ap1 Ap 2 Pni Ap1 Ap 2 Ap 3 Pni
首先介绍低噪声前放的选用方法 。
20
噪声系数NF是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的
参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它 的噪声系数NF=1，而NF=10 lg(NF)=0（dB）
一个实际的质量好的低噪声前臵放大器其NF值可以做到
0.05dB，甚至更低。
生产厂商在出售低噪声前放时，都附有关的技术资料，其
对于低噪声运放，生产厂家一般会在其产品手册中提供一定 测试条件下的NF-Rs曲线，如下便是两例。
OP-07的NF-Rs曲线
LMC662的NF-Rs曲线
从NF-Rs曲线上可以清楚地看到，在所运用的频率范围下， 源电阻Rs和NF的关系，当源电阻为50KΩ，运用频率为 1KHz时，OP-07的NF约为3dB，而LMC662却为8dB，故这 两者比较应选用OP07。
f0可调的带通滤波器，采用噪声发生器法，或正弦波法，测出不 同Rs和f0条件下的一系列NF值，都标在坐标图上。
光电检测电路的设计及实验研究
光电检测电路的设计及实验研究光电检测电路在多个领域具有广泛的应用，如光学测量、图像处理、环境监测等。
光电检测电路的设计与实验研究在提高检测精度、降低噪声、增加灵敏度等方面具有重要意义。
本文将介绍光电检测电路的设计方法及实验研究，以期为相关领域的研究提供参考。
随着科技的不断发展，光电检测电路的研究也日益受到。
光电检测电路的设计方法多种多样，不同的设计方法对应不同的应用场景。
当前，研究者们主要光电检测电路的精度、灵敏度和稳定性等方面的研究。
在此基础上，本文旨在设计一种高效、稳定的光电检测电路，并对其进行实验研究。
光电检测电路的核心部分是光学系统。
光学系统的设计主要包括光源、光路和光探测器三个部分。
在设计中，应根据实际需求选择合适的光源和光探测器，并通过对光路的优化设计，提高光的利用率和检测精度。
光电检测电路的电路部分主要包括信号处理电路和光电探测器接口电路。
信号处理电路主要对探测器输出的信号进行放大、滤波和数字化处理；光电探测器接口电路则主要实现光信号到电信号的转换。
在设计中，应充分考虑各部分电路的功能和特点，确保整体电路的稳定性和可靠性。
本文采用的光电检测电路实验设备及材料包括：光源、光路组件、光电探测器、信号处理电路板、计算机等。
在实验中，首先对光电检测电路进行组装和调试，确保电路的正常运行。
接着，对电路进行性能测试，包括光源的稳定性、光路的传输效率、光电探测器的响应速度和信号处理电路的精度等。
通过对比不同条件下的实验数据，分析电路的性能表现及误差来源。
实验结果表明，该光电检测电路在光源稳定性、光路传输效率和光电探测器响应速度方面均表现出较好的性能。
同时，信号处理电路通过对探测器输出信号的处理，有效降低了噪声，提高了检测精度。
在实验过程中，发现光电检测电路的性能受到光源强度、光路传输损耗、探测器性能和环境因素等影响。
为了进一步提高电路的性能，可以采取以下措施：优化光学系统设计，提高光源的稳定性和光路的传输效率；选用高性能的光电探测器，提升电路的响应速度和精度；加强电路的噪声抑制能力，提高信号处理电路的稳定性。
光电探测器的设计及性能研究
光电探测器的设计及性能研究随着科技的不断发展，光电探测器不仅仅是在研究领域中广泛使用，而且在工业、医疗等领域也具有越来越广泛的应用。
因此，对于光电探测器的设计和性能研究具有非常重要的意义。
本文介绍了光电探测器设计的基本原理以及常用的探测方法，并分析了光电探测器的性能参数和评估方法。
一、光电探测器设计的基本原理光电探测器（photodetector）是一种能将光信号转化成电信号的器件，一般由光电传感器和信号处理电路组成。
在设计光电探测器时，需要考虑以下基本原理。
1. 光电传感器的结构光电传感器的结构通常由光敏二极管、光电二极管、PIN二极管、APD（avalanche photodiode）等构成。
其中，光敏二极管（phototransistor）是以基极（base）、发射极（emitter）和集电极（collector）构成的三极管，其基极区通过光照射后形成一个电路，产生电流；光电二极管（photodiode）则是一种可以将光信号转化成电流信号的器件；PIN二极管（p-i-n diode）由正、反向偏压三层半导体材料构成；APD则是一种特殊结构的光电二极管，在一定反向偏压下，通过电子和空穴的雪崩扩散增加光电流信号的强度。
2. 灵敏度和响应时间光电探测器的灵敏度和响应时间是设计中的两个关键因素。
灵敏度一般定义为入射光功率与电流信号的比值，响应时间是指光电探测器从暗态到光照反应后，输出光电流达到最大值所需时间。
3. 光谱响应和量子效率光电探测器的光谱响应和量子效率是指光电探测器对不同波长光的响应能力和接收光子的效率，一般用光谱响应曲线和量子效率曲线表示。
二、光电探测器常用的探测方法1. 光电二极管探测方法光电二极管是一种基本的光电探测器件，常用于电路中的信号检测、测量等。
其探测方法根据不同的应用可以分为直接检测和交流检测两种方式。
直接检测的原理是利用光敏二极管的光电效应，将光信号转换为电信号；交流检测则是将光敏二极管作为中间件与电路之间相互交流的信号转换。
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。 明放大器能进行 说 无失真地传输 。 对输 出的方波信号进行傅 里叶变换之后 ，
所示 ， 电压响应度为 ：
Ｒ ＝ ＝ ＝２３ －３× １ ５ Nhomakorabea× １ ０１ ＞ ０
可以看 出信号的低频 和高频都 在一个 带宽范 围之 内 ， 分 别如图 ５和图 ６ 所示 。
图 ２光 电转 换 电路
前提下工作点尽量设低 ， 滤除部分噪声等 。
１ ． ２仿真结果
此次电路设计使用 的 ＰＮ光电二极管 电流的响应度 Ｉ
Ｒ ０ ５ ／ 最 小探 测光 功率 Ｐ １Ｏ Ｗ， 产 ． ＡＷ， ２ ＝ ０ ｎ 主要测 试光 功 率 为 １ ｗ ， 样 电阻 为 ２ Ｑ， 取 ｋ 因此 ， 根据式（ 可 以计算 １ ） 出在 １０ Ｗ 下 ， ： ０ｎ 有
当 Ｒ 较 大时 ， １ 因光 电二极管结 电容等 的分流作用 ，
流经 Ｒ 的电流为 × ， 出电压为 ： １ Ｌ输
１ ， × Ｒ （ ３ ）
Ｖｅｅ
，上限截止频率为
Ｚ订 “。 Ｌ’
， 即为 ｆ ｒ
放大电路 的带宽 ， 带宽设置合适可以有效滤 除噪声 ， 而且 对输 出信号上 升时 间有 很大 的影 响 ，两者 的关系 为
２０１ Ａ， ． 根据式（可计算 出： ３ ）
Ｖ ×ＲＩ ０１ Ａ×２ Ｑ ＿ ．ｍＶ ＝． ｋ ０２ （） ６
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 ＝ ｍ ２ ｍ的 光 电二极管进行建模 ， 由电流源 、 电容和 电阻构成 （ 图 如 ３ 所示 ） 在对放大 电路进行基本偏置点仿真确定工作点 。
１１１ 电转换 电路 ．， 光
光电转换及前置放大电路研究
光电转化器件
PIN光电二极管结构
光电二极管输出特性曲线
Hale Waihona Puke 光电转化器件• 光电二极管的灵敏度
显然，当波长为λ的辐射光作用在光电二极管上时，其电流灵敏度是与材 料有关的常数，表明光电二极管的光电转换特性的线性关系。因为电流灵敏 度与入射波长兄的关系是复杂的，因此在定义光电二极管的电流灵敏度时， 通常是将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。
光电转换及前置放大电路研究
常用光电检测器件 光电转化电路设计 放大电路设计
常用光电检测器件
• • • • • • • • 光电池(photo-cell) 光电二极管(Photoelectric diode) PIN型光电二极管 雪崩光电二极管(Avalanche photodiode，APD) 光电三极管 光电位置敏感器件 光电倍增管(photo-Multiple Tube，PMT) 光敏电阻(Photo-resistor)
放大电路
前置差分放大电路
差分放大电路对共模信号的抑制能力很 强，用在光电信号检测采集系统中能够 很好的减小器件暗电流和外界环境温度 变化给电路带来的影响和误差。
放大电路——温度补偿
当温度变化时，Ur有变化趋势。设|Ur|因温度变化而增加，则Ue为正，通过运 放A。的反向输入端将Ue调小，驱动电流随之减小，从而|Ur|的增加被制。电路 中的C1和C2是为了消除环境干扰和运放噪声引起的驱动电流波动。
• 光谱响应曲线
1.33um
常 见 材 料 光 谱 响 应
光电转化器件
• 响应时间
dr RC p
渡越时间 RC网络延迟时间 扩散时间
dr W / vd
RC (Ri RL )C j
光电探测器前置放大电路设计概要
光电探测器前置放大电路设计概要上海光学精密机械研究所李国扬此处的光电探测器，指的是将光功率转化为电流的二极管结构光电转换器件。
有人认为光电探测器的应用很简单，将光电二极管的输出电流用一个电阻进行取样，就得到了电压，该电压可经过AD转换电路进行数字化处理。
一个简单的光电探测器应用电路如下图所示：实际上，没有如上图一样简单。
首先，上图中的光电探测器会产生一个暗电流，这个暗电流有可能会大到可以和信号电流比拟；其次，取样电阻会产生热噪声，而电阻值越大，噪声也越大。
并且，10mV 的信号电压未必足够大。
而在光电流大小一定的情况下要提高信号电压，就需要增大取样电阻，取样电阻变大，又会增大噪声，这是一对矛盾。
进一步分析，光电探测器的PN结有一个结电容，这个结电容和取样电阻形成一个RC充电回路，RC值的大小决定了光电探测器的响应速度。
对于一个给定探测器，C 值是随着VCC电压值变化而变化的。
电容值随VCC变化典型曲线如下图。
当VCC值不稳时（如用噪声大的开关电源给探测器做偏压），就会使结电容不稳，结电容的大小会影响响应度；这样，VCC的噪声会通过改变结电容的大小而转化成信号的噪声。
确定了探测器种类和VCC后，C值就固定了，此时，减小R值可以减小响应时间，增大响应带宽；但是，减小R值又会减小响应幅度。
这又是一对矛盾。
对于探测微弱信号而言，需要一个比较大的取样电阻，而取样电阻如果很大，对于后级电路来说，相当于一个大的输出阻抗，这对后级电路的处理带来了困难。
如下图所示意，如果后级电路的输入电阻为1M欧，那么信号电压只有一半被后级放大器提取，所以，要求后级电路有很大的输入阻抗，才能尽可能多的提取信号能量。
到了这里，您可能会说，是否可以选择一种光电探测器，使它能够对光信号更为敏感，也就是说，单位光功率可以得到更大一些的光电流，这样就减轻了电路的压力。
是的，有响应更大的器件。
但是，增大光电响应度，在半导体工艺上需要增大光敏面积，而增大光敏面积的一个伴生效应是增大结电容。
光电探测器的放大电路
1. 信噪比：
输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪 声比，简称信噪比
(S/
N)O
Pso Pno
Es2o En2o
Pso 为输出端信号功率 Pno 为输出端噪声功率
2. 噪声系数（Noise Factor）： （1）基本定义 输出端总噪声功率 F= 源电阻产生的输出噪声功率
即
F
E
2 no
En2s K p
求偏导 ：
R Fs R 1s24kEn T 2 f 4kIn2 T f 0
得：
Rs
En In
记作 (Rs)opt
与功率匹配 区别！
因此，当信号源的内阻等于放大器的源电阻时噪声系数F取 得最小值
F mi n14E knI T n f4E knI T n f12E knI T n f
当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时， 放大器对检测电路附加的噪声最小，称为信号源 与放大器之间达到了噪声匹配。这是低噪声设计 的一个重要原则。
Kp为放大器系统的功率增益
从输出端角 度出发
（2）推导式一
放大器噪声总 是存在，F大于 1的原因
上以下K 同即除 p，
F E n 2 E n 2 s K o pE n 2 E /n o 2 K s pE E n n 2 2 s i E n 2 sE E n 2 n 2 s In 2 R s 2
总的等效输入噪声功率 F= 输入端源电阻噪声功率
例如：求出输入网络R1、R2、R3在源电阻匹配情况下的等效输 入噪声温度。 计算的步骤是： (1)求出各电阻的热噪声在输出端的贡献，将它们均方加起来使 得到总的输出噪声； (2)总的输出噪声除以系统的增益即得等效输入噪声； (3)等效输入噪声减去源的热噪声就得到输入网络本身在源端的等 效输入噪声，然后将其折算为源电阻在温度Ti时的热噪声。
一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计
一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计以GaN光伏型紫外探测器输出的微弱电流信号为根据对探测器的前置放大电路进行设计，首先运用标准的电路理论建立了等效噪声模型，分析计算了电路中各个噪声源引起的噪声，导出了光电检测电路的信噪比输出公式，对影响光电检测电路输出信噪比的因素进行了详细的分析与研究；同时还给出了跨组放大器带宽与稳定性之间的关系，最后用multisim10软件的仿真印证了分析和设计的正确性。
标签：紫外探测器；前置放大器；噪声；稳定性引言空空导弹系统中多为红外制导和雷达制导。
随着干扰手段的发展，单一的探测手段已经不能满足抗干扰的需求。
于是，出现了双色探测器等多探测体制，如紫外/红外、紫外/激光、红外/激光等多种复合探测体制。
继红外探测技术之后紫外探测技术成为又一重要的军民两用光电探测技术。
相较于红外探测系统，紫外探测技术因其独有优势，受到了军方的关注。
正是因为军方的重視和紫外探测技术的独特性，本文开展紫外信号检测放大技术的研究，以此来确定一种更适合紫外信号的前放电路结构，并对它的噪声特性及抑制方法进行分析和验证。
1 紫外探测器紫外探测器件主要分为点探测器和像探测器。
半导体紫外探测器件因其体积小、过载高在军事中应用较多。
本系统中采用GaN基紫外探测器，光谱响应区间在260～380nm，峰值响应波长为365nm。
在探测器应用中多采用PIN结构[2]，I层会加大耗尽层厚度。
I层有更高的电阻相对于PN层，这里的反向偏压形成高电场区，加宽了光电转换的有效工作区域，使暗电流有所降低，提高了灵敏度，探测器的电容也有减小。
紫外探测多采取直接探测，所以在光信号功率小时，电信号输出相应也较小。
一般在实际探测器的应用中，为了方便后续处理，通常使用前置放大电路将信号放大。
紫外探测器中就要设计合理的前置放大电路，以保证探测系统能够在一定的输出信噪比下工作。
2 前置放大电路微弱光电信号前置放大器，信号小，输入信噪比低，在空空导弹系统等军用系统中多有专门的低噪声放大器。
关于光电检测电路的设计与研究
关于光电检测电路的设计与研究
光电检测电路是一种常见的电子电路，用于检测光信号并将其转换为电信号。
在光电检测电路的设计与研究中，主要包括光电二极管的选择、信号放大与滤波、噪声抑制等方面。
在光电检测电路的设计中，选择合适的光电二极管至关重要。
光电二极管是将光信号转换为电信号的关键元件。
在选择光电二极管时，需要考虑其响应速度、灵敏度和波长特性等因素。
根据具体应用需求，可以选择适合的光电二极管类型，如普通光电二极管、光敏三极管、光敏电阻等。
信号放大与滤波是光电检测电路中的重要环节。
光电二极管输出的光信号较弱，需要通过信号放大电路进行增强。
放大电路可以采用多种形式，如共集电极放大器、共基极放大器、共射极放大器等。
在放大电路中还可以加入滤波器，以抑制噪声干扰和滤除不需要的频率成分。
噪声抑制也是光电检测电路设计中需要考虑的问题。
噪声会对光电信号的检测精度产生影响，因此需要采取相应的噪声抑制措施。
常见的噪声源包括热噪声、干扰噪声等。
可以通过信号放大、滤波等方法进行噪声抑制，同时还可以通过合理的电路布局和屏蔽措施来降低外界干扰。
在光电检测电路的设计与研究中，还需要考虑电源电压、工作温度等因素对电路性能的影响。
合理选择电源电压，可以尽可能提高电路的工作效果。
要充分考虑电路在不同工作温度下的稳定性，避免温度变化对电路的影响。
光电探测器前置放大电路研究
在弱光检测中，光电探测器将接收到的光信号变为微弱的电流信号，一般为微安数量级，光电探测器通过放大器将其转变为电压信号，只有经过充分的放大和处理才能被记录下来。
加州理工学院曾对光通信中微弱光信号的检测器使用不同特性的前置放大器，给出了各种比较数据，充分说明前置电路的性能决定整个系统的优良[1]。
前置电路若设计得好，会使探测灵敏度提高，从而更好地进行实验研究；反之，不仅会把输入信号和噪声放大，同时还会混进电子器件本身带来的新噪声，这对于实际实验的影响会非常大。
基于此点，有必要对光电探测器前置电路进行深入研究。
1光电探测器光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关[2]，所以在给出性能参数时，要注明有关的工作条件，只有这样，光电探测器才能互换使用。
主要工作条件有：（1）辐射源的光谱分布很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的函数，仅对一定波长范围内的辐射有信号输出。
这种称为光谱响应的“信号依赖于辐射波长”的关系，决定了探测器探测特定目标的有效程度。
所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。
如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。
假如辐射源是黑体，就要指明黑体的温度。
当辐射经过调制时，则要说明调制频率。
（2）电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能，噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，所以在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。
（3）工作温度许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都与工作温度有密切关系。
所以必须明确工作温度。
最通用的工作温度是：室温(295K)、干冰温度(195K)、液氮温度(77K)、液氯温度(4.2K)以及液氢温度(20.4K)。
（4）光敏面尺寸探测器的信号和噪声都与光敏面积有关，大部分探光电探测器前置放大电路研究高科，孙晶华（哈尔滨工程大学理学院，黑龙江哈尔滨150001）摘要：在弱光检测中，光经过光电探测器转换为电信号，此信号极其微弱。
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计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］。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比1光电检测电路的基本构光电探测器所接收到的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，要对这样的微弱信号进行处理，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器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图 1 所示2光电二极管的工作模式与等效模2．1 光电二极管的工作模光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图 2 所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流 1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
一种光电烟支检测器前置放大电路的设计
一种光电烟支检测器前置放大电路的设计摘要】光电烟支检测器是一种在线烟支检测设备，在烟支质量控制方面发挥了重要作用。
前置放大电路是其中关键电路之一。
本文重点介绍了前置放大电路的噪声来源，并就如何降低噪声干扰做了分析。
【关键词】前置放大电路；噪声分析０绪论光电烟支检测器可以在线检测并剔除不合格的烟支，在烟支质量控制上发挥着极为重要的作用。
采用光电检测的方式可以实现非接触、高速、精确检测，非常适用于高速卷接机组。
前置放大电路是光电烟支检测器电路中关键电路之一，它的作用是先进行光电转换，将烟丝端散射出的光信号转换为电信号，再将电信号放大送到后级电路处理，作为整个电路的“眼睛”，它的性能好坏直接关系到整个系统的性能好坏。
１前置放大电路噪声分析烟支检测器中光电转换器件采用的是光电二极管，经光电二极管转换的电信号相当微弱，很容易受到噪声的干扰，所以在设计该部分电路时要尽量减小噪声，提高信噪比和检测分辨率。
噪声源主要来自3个方面，一是光电管，二是前置放大器，三是外部噪声。
１．１光电二极管的噪声光电二极管的光电流一般为nA至μA级，其主要噪声是热噪声和散粒噪声。
１.1.1热噪声热噪声是导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生的随机涨落电压，它是电阻性电路器件的共性噪声。
噪声电压均方值取决于材料的温度，电阻及噪声等效带宽，一般关系式为:UT2=4KT■R（ｆ）ｄｆ（1）式中，K是波尔兹曼常数，T是材料的绝对温度，R（f）表示光电检测电路中总电阻随频率的变化关系。
在纯电阻的简单情况下，R与频谱无关，上式变为:UT2=4KTRΔf,在温度一定时，热噪声只与电阻和噪声等效带宽Δf有关；当温度为T=300K,KT=4.14×10-21J，电阻的噪声电压和电流有效值变为：UT＝■＝1.29■×10－10J■IT=1.29■×10－10J■可以看出电阻R是主要的热噪声源，在R不变的情况下减小T和Δf的值可以减小噪声。
光电探测器中的集成电路设计与优化研究
光电探测器中的集成电路设计与优化研究光电探测器是一种能够将光信号转换成电信号的器件，广泛应用于通信、医疗、测量、安防等行业。
光电探测器的核心部件是光电二极管，而其中的集成电路则是关键因素之一。
本文将就光电探测器中的集成电路设计与优化进行研究，探讨其相关方面。
一、摄像机光电探测器中的集成电路设计在国外生产的大多数摄像机上，都采用CMOS传感器。
CMOS传感器是由数百万个像素组成的敏感电容阵列，在光照下，每个像素上的电容会积累不同的电量，通过转换电路变为电压信号后，再经过原理电路、前端放大电路、输出电路、数字处理电路等各种功能电路，最终输出成一个数字信号，就成为一幅完整的图像。
在光电探测器中，由于数据传输和处理的速度要求较高，集成电路需要支持高速传输，并采用多路复用技术，将多个通道的信号传输到一个数据输出端口，以降低成本和功耗。
此外，为保证光电探测器在不同环境下能够正常工作，集成电路还需要具备防水、防尘、抗震、耐温变和抗干扰等多重功能。
为此，设计者需要通过细致的电路布局和仿真验证，保证集成电路在最恶劣的环境下也能正常工作。
二、光电传感器中的集成电路优化光电传感器中的集成电路存在一些问题，如信号质量低、功耗高等。
因此，需要对集成电路进行优化。
1、信号质量优化。
对于光电传感器来说，信号质量是一个非常重要的指标。
在信号处理过程中，由于噪声等因素存在，可能会对信号质量造成影响。
因此，需要通过优化集成电路，提高信号的质量。
首先，需要对电路进行降噪处理。
在前端放大器电路中加入多次采样和平均滤波器等降噪电路，可以有效提高信号的质量。
其次，在数字处理电路中，提高信号处理的精度和算法的优化，可以进一步提高信号质量。
例如，采用特定的射频算法实现了减少杂散分量，提高感知器分辨率和减少毛刺的调制数据的特性。
2、降低功耗优化。
在光电传感器中，功耗大小也是一个重要的问题。
在实际应用中，为了提高工作效率和增强使用寿命，需要对功耗进行有效的优化。
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图+
匹配电阻对信号输出的影响
示波器图像纵轴每格代表 "**7$ # 横轴每格代表 +75
在相同的光照度下 # 图 + !3 " 为配置匹配电阻 !"J
!= 的信号输出 & 图 + !< " 为未配置匹配电阻 # 即 !"J*$
可以看出 # 在未配置匹配电阻的情况下 # 不仅前级增 益受到影响 # 而且由于输入端的不匹配而引入了过多 的电流噪声 #使得信号检测受到影响 $ 分析所测数据 # 图 + !3 " 信 号 有 效 值 约 为 =!*7$ # 波 动 噪 声 小 于
!3 " 单一光电路通路 !< " 引入旁路信号
图,
旁路信号对前级输出的影响
示波器图像纵轴每格代表 =**7$ # 横轴每格代表 +75
为原理电路并没有考虑实际情况下的各种干 扰 和 环 境条件 # 当多引入一路信号时 # 必然会引入相应的干 扰$
"’A
其他对精度有影响的因素 为了提供光电探测器精度 # 特 别 是 微 弱 信 号 检
北京 <***=! #
摘要 ! 深亚微米近场飞行头飞行高度测试是近场光存储的关键技术之一 " 为了能精确 测试近场飞高变化 #检测系统需要具有很高灵敏度和分辨力 $ 而前级放大电路设计是检 测系统设计关键 % 本文对光电探测器前级放大电路设计 &讨论 $并进行了实验分析 ’ 提出 了实用化的电路设计形式以及注意事项 " 关键词 ! 前级放大 ’微电流 ’ 光电探测器 ’飞高测试 ’ 近场光存储 中图分类号 !>?@<<A+@ 文献标识码 !B 文章编号 !<**<C<@D)""))+#),C))@"C)@
光电二极管工作于反向偏压下 ! 也可工作于 * 偏 压下 "# 光电路流过负载电阻产生压降为
!"#$%!&$
后级放大器连接 $ 的两端进行电压放大 $
该电路的特点是 % 简单 & 直观 $ 但是为了探测微弱 电流信号 # 常常希望在相同输入下取得大信号电压 # 这就要求负载电阻阻值越大越好 $ 一般而言 # 负载电 阻大小受光电二级管工作线性范围的约束 # 不 能 太 大 ’ 同时高负载电阻与探测器分电容和放大器输入电 容的共同作用 # 将增加电路 $’ 时间常量 #影响系统的 高频响应 # 并使其动态范围减小 $ 为改进系统性能 # 在前级引入运算放大器 # 对图 < 做一些改进 # 设计如图 " 电路 $ 相对于图 <# 图 " 中将负载电阻 $ 变为反馈电阻
!
结
论
本文针对深亚微米近场飞高测量的具体应用 # 论 述了光电探测器基本前级电路设计要点 # 并在实验的 基础上分析了影响探测器精度的因素 $ 深亚微米飞高 测量的光电流波动在几百 8M 量级 # 为达到 87 级别 的飞高分辨率 # 要求前级放大电路为后续各级的处理 电路提供精确可靠的信号电压 $ 经过精心设计 # 前级 放大器将微弱光电流放大 # 输出达到 A**7$ 以上 # 而 噪声波动控制在 +7$ 内 # 为后级的滤波和放大提供 了稳定可靠的前级信号 $ 参 考 文 献
测 #在设计和应用电路时还应注意以下因素 ’ != " 温度补偿 ’ 特别对于雪崩光电二级管 # 通常需 要设置温度补偿电路 $ 在一些情况下还要在专门设计
!3 " 有匹配电阻 !< " 无匹配电阻
前级温度补偿电路 $ !"" 布局布线 ’ 在电路设计中为 了 保 证 为 后 级 提 供可靠稳定的信号 #应按信号流程布局 $ 布线时前 %后 级间不应串绕 #避免大 %小信号间的耦合 $ !A" 工作环境 ’ 在实际工作中电 路 应 在 接 地 屏 蔽 盒内工作 # 避免外界电磁干扰 $
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电测与仪表
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光电探测器前级放大电路设计与研究 >
陈张玮 !李玉和 !李庆祥 !王
!清华大学 精密仪器与机械学系 "
亮 !段瑞玲
引 言 检测系统前级放大器的设计对 整 个 系 统 性 能 起 决定性作用 % 在微弱信号探测研究中不仅要进行后级 放大和滤波环节的设计与改善 $ 而且前级信号的精确 设计也非常重要 % 因为在后级电路中 $ 常常有上百倍 甚至千倍的放大设计 $ 在放大信号的同时 $ 也放大了 噪声 % 光电探测器的前级放大设计通常从两方面着手 ! 一是选择合适的器件 ’ 二是设计合适的电路形式 % 本 文针对光电二极管 $ 对于微弱信号 ( 特别是微电流 ) 前 级放大电路设计进行实验分析和讨论 %
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总第 !" 卷 第 !#! 期
电测与仪表
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