光电探测器前级放大电路设计与研究

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总第 !" 卷 第 !#! 期
电测与仪表
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")*+ 年 第 , 期
-&./012/3& 4.3561.7.80 9 :850167.80302%8
论 $ 设计系统中光电探测器采用国产 >:( 光敏二极管
"?@A*B#测试交变光强为 =**CD $ "E= 器件的选择和电阻的匹配
!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
i 高等学校博士点专项科研基金资助项目 ("))")))@)<+ )%
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电路设计 光电二极管 ! 在光通量 ! 下 $产生的光生电流 + "#! $ (< )
式中 $ 为光电二级管的接收面积 " 电流与光通量成正 比 " 最直接的前级电路如图 <"
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电测与仪表
N=O 安毓英 # 曾小东 E光学传感与测量 N4OE 电子工业出版社 P"**=L N"O 王永仲等 L智能光电系统 N4OL 北京科学出版社 P =QQQL NAO 北京光电器件厂L 光电器件 NROL"**AL N!O >LS. T1%%0P ULV./WP ;LB%%<205WX 38S ;LY2.Z.8LH[02/3& \&X28Z]^.2Z^0 0.5028Z %\ 73Z8.02/ 1.3S_‘120. ^.3S5L>1%/LB>:- "#a"N4OL=QQ,L N+O 李桂英 # 陈殿仁 LM>V 光电探测器温度补偿方法 研 究 N;OL 长 春 光 学 精
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)@
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 $
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
!"# $%&’() *)+ ,%&%-./" 01 2.’3% 4356’1’/-7’0) 8’./9’7 10. :"070;$%7%/7’0) <=&7%3
EF-( GH38ICJ.2K L: M6NH.O L: P28ICQ238IK RS(T L238IK UVS( W62C&28I XU.Y3107.80 %Z ?1./252%8 :850167.805 38[ 4./H38%&%I\O >528IH63 V82].1520\O B.2^28I <)))=! $ EH283_ 4?&7.@A7‘ V&013 a6bC72/1% c&\CF.2IH0 7.3561.7.80 Y&3\5 38 27Y%10380 1%&. 28 0./H8%&%I\ %Z (.31CZ2.&[ &2IH0 a0%13I.d :8 %1[.1 0% 73e. 3 Y1./25. 7.3561.7.80 %Z 0H. c&\CF.2IH0O 0H. [.0./f 02%8 5\50.7 5H%6&[ H3]. ].1\ H2IH 5.85202]20\ 38[ 1.5%&602%8d ?127. 37Y&2Z2/302%8 /21/620 [.52I8 25 0H. e.\ %Z 3 ?H%0% CU.0./02%8 5\50.7d g61 [25/6552%8 Z%/65.5 %8 [.52I8 38[ .QY.127.80 %Z Y127. 37Y&2Z2/302%8 /21/620d R. 3&5% 28[2/30. 0H. 7300.15 $ JH2/H 8..[ 300.802%8 Z%1 Y13/02/. 38[ 3YY&2/302%8d B%= C0.D&‘ Y127. 37Y&2Z2/302%8h Z..b&. /611.80h c&\CF.2IH0 0.50h (.31Cc2.&[ &2IH0 50%13I.
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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
$=E$! 的比值获得适当调节的结果 $
实际应用中 # 对于以上基本电路 和改进电路既可单独应用 # 也可综合 图" 基本前级电路的改进形式 应用 $ 关键在于根据实际情况 # 在原有 电路基础上加以不同设计改进 $
!
实验分析 光电探测器前级放大电路在实际
应用中应考虑各种电路干扰和布局规 则 # 增加辅助器件 $ 以下对深亚微米飞 高测试中光电探测器前级电路设计的 图= 改进前级电路之一 图! 改进前级电路之二 注意问题以及影响精度因素进行讨
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*? $< # 若运放电压放大倍数 , ?<)+#$<?<))D" # 则 <A+ *?<"$ 因此系统输入阻抗小 # 很适合于测量微弱电
流$ 在实际应用中 # 常因为信号幅度不同而要求改变 图< 基本前级电路 电路放大倍数 #于是需要改变反馈电阻 $ 这时通常利 用开关切换反馈电阻 $ 如果开关置于光电流的通路 上 #由于需要外部操作 # 容易引入杂散电流的干扰 $ 图 = 电路为解决这一问题对图 "!/ " 做了改进 $ !" " 对于图 = 电路 # 运放输入端不取电流 # 且 两 输 入 端 )虚短 *# 于是流过 $= 的电流为 ( (-"( $!E$= 到% ( !+" !"?! &F@<A$!E$=C@$<A$"CA$!G 在图 = 中 # 可以将开关置于非光电流通路上 # 避 免了对光电流通路的直接干扰 $ 另外 # 式 !!" 表明 # 由 于流过 $= 的电流完全由光电流在 $! 上的压降决定 # 相当于引入另一路 ) 光电流 *(H # 有助于加大放大器的 放大倍数 # 使调节更为灵活 $ 在 !=" 式中 # 为了使得输出电压大 # 必须使反馈电 阻 $< 大 # 而 $< 增 大 会 使 负 反 馈 减 弱 # 影 响 放 大 器 稳 定性 $ 图 ! 为解决上述问题对图 " !/ " 做了另一种改进 # 对于图 " !/ "# 运放输入端不取电流 # 光电 流 ( 流 经 $<&)<&$" 于是输出电压为 ( !<?( @$<A$"B?!&@$<A$"C 由 !="式可知 #输出电压与光通量呈线性关系 $ 对于图 " 电路 # 运算放大器两输入端间输入阻抗 != " 即引入 I 型反馈网络 $ 运放负输入端 ) 虚地 *#于是有 !!" ( ( 可以计算输出电压为 !"?@(.(-C @$<A$"CA( $!# 最终得
E
近场光存储技术是现代高密度数 据 存 储 领 域 的 一个热点 % 实际应用中 $ 为了提高头盘界面近场耦合 效率 $ 近场光存储技术必须保证固体浸没透镜 (a%&2[
:77.152%8 &.85 *a:L) 和存储介质间距应远小于波长 %
为了解决深亚微米数量级的近场间距的测控 $ 其核心 是借助光学测量方法设计高质量的动态测量系统 % 对于深亚微米近场测试 $a:L 透镜与光盘的间距 变化在纳米级别 $ 光学测量方法能得到的光强变化极 其微弱 % 为了能精确测试微小间距变化 $ 不仅要求设 计合理的光学测量方案 $ 而且要求检测系统具有很高 的灵敏度和分辨力 % 光电探测系统的任务就是需要将 非常微弱信号 $ 特别是将淹没在噪声中的微弱信号提 取出来 %
为了精确测量光电流 # 信号放大器应选用偏置电 流小 % 输入阻抗高的结型场效应管 !;F-G" 或 4HBI
F-G$ 应用这类运放 #由于其阻抗极高 # 在许多电路参
考书中都注明可以不必考虑输入端的阻抗平衡 $ 但用 于光电二极管的前级放大 # 却会有显著的区别 $ 以图 "!/ " 电路为例 # 匹配电阻对信号输出的影响 如图 + 所示 $
!
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
$<# 其中图 " !3 "和 !> "为在偏置电压下的工作方式 $ 在
不加偏置电压的情况下 # 可以设计成如图 " !/ " 所示电 路$
($<J("$!?* (<?(A(" !=?J@(<$=A("$!C
整理得到 ( !=?J! wk.baidu.com@$<A$=A$<$=E$!C !," 在改进电路中 # 反馈电阻不必取 得 很 大 #I 型 反 馈 网 络 可 以 依 靠 选 取
光电二极管工作于反向偏压下 ! 也可工作于 * 偏 压下 "# 光电路流过负载电阻产生压降为
!"#$%!&$
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
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 %