微弱光信号检测电路的实现

微弱光信号的光电探测放大电路的设计

微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。

但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。

本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。

1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。

(1)光伏模式，如图1 (a)。

此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。

本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。

(2)光导模式，如图1(b)。

这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。

当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。

可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。

这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。

从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。

经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。

在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。

一种微弱光信号相关检测方法的硬件实现

一种微弱光信号相关检测方法的硬件实现李炳新;祖海娇【摘要】利用伪随机序列的良好随机性可以测量淹没在噪声和干扰中的微弱光信号,这是一种相关检测方法.在阐明测量原理的基础上,设计了采用该方法的测量系统,采用FPGA实现FFT算法从而完成测量所必需的信号相关处理.实验结果表明,完全由硬件实现的测量系统可以近于实时地完成微弱光信号的测量.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2010(029)012【总页数】4页(P30-33)【关键词】微弱光信号;伪随机序列;相关;FPGA【作者】李炳新;祖海娇【作者单位】燕山大学,信息学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学,信息学院,河北,秦皇岛,066004【正文语种】中文【中图分类】TN247光纤通信技术是信息领域十分引人瞩目的课题，微弱信号检测是光通信领域中不可缺少的环节。

微弱光信号检测是利用光电信息技术、电子学、物理学、信息论、计算机等各种知识的综合技术,它是在认识噪声与光信号的物理特性和相关性的基础上,把被噪声淹没的有用信号提取出来的一种技术。

目前常用的微弱信号检测方法有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测方法等[1]。

伪随机序列是一种具有良好随机性的二进制序列，其许多特性都与白噪声接近，且能够由确定的方法产生，伪随机序列在许多领域都得到了应用[2,3]。

利用伪随机序列的良好随机性可以测量淹没在噪声和干扰中的微弱光信号。

测量系统的输入光信号用伪随机序列调制，调制的光信号注入测量系统，输出光信号经过光电探测器后与调制所用伪随机序列进行相关运算。

其相关函数的峰值正比于输入信号强度，且有很高的信噪比，因此可以检测到混在噪声与干扰中的微弱光信号,提高测量的准确性和精度。

1 测量系统组成微弱光信号检测的硬件电路主要由三部分组成:信号的产生与调制、信号的接收、信号的相关处理。

伪随机序列相关检测原理如图1所示。

由FPGA产生伪随机序列p(t)，用它调制光源，调制的光信号经过测量系统后到达接收端，光电转换后得到的光输出信号为x(t)，若测量过程仅影响输入光信号的强度，则x(t)=ap(t)+n(t),其中a为输出信号幅度，n(t)为噪声和干扰。

一种微弱光信号相关检测方法的硬件实现

光纤通信技术是信息领域十分引入瞩目的课题，微弱信号检测是光通信领域中不可缺少的环节。弱光信微
号检测是利用光电信息技术、子学、理学、息论、电必需的信号相关处理。实验结果表明，完全由硬件实现的测量系统可以近于实时地
完成微弱光信号的测量。
关键词：微弱光信号；伪随机序列；相关；ＦＧＰＡ
中图分类号：Ｔ２７Ｎ４文献标识码：Ａ文章编号：１７ — ７０２１）２０３ — ４６４７２（００１ — ０００
ｓｓｅｃｎｂｏｌｔｄｎａ－ｅｌｔａｕｅｎｆｗｅｋｏｔａｉｎｌ．ｙｔｍａｅｃｍｐｅｅｅｒｒａ — ｉｍｅｍｅｓｒｍｅｔｏａｐｉｌｓｇａｓｃＫｅｒｓ：ｗａｐｉａｉｎｌｓｕｏｒｎｏｓｑｅｃ；ｃｒｅａｉｎ；ＦＧＡｙｗｏｄｅｋｏｔｌｇａ；ｐｅｄ — ａｄｍｅｕｎｅｏｌｔｃｓｏＰ
Ａａｐｉａｉｎｌｄｔｃｉｎｍｅｈｄｒｌｔｄｔａｄｒｍｐｅｎａｉｎｗｅｋｏｔｃｌｓｇａｅｅｔｏｔｏｅａｅｏｈｒｗａｅｉｌｔｔｍｅｏ
ＬｉｇＸｉＩＢｎｎ，ＺｉＪａＵＨａｉｏ
微弱光信号检测的硬件电路主要由三部分组成：信

基于HgCdTe红外探测器的微弱信号检测电路设计

表明：系统中运行的检测电路具有较高ห้องสมุดไป่ตู้信噪比和较好的稳定性，量精度高，实现对大气在测可
环境的红外遥感。
关键词：测电路；外探测器；弱信号；噪声设计检红微低
中图分类号：ＴＮ２６；０ＴＰ７２２３．文献标志码：Ａ
ｓｌｔｍｐｒｔｒｒｔａｄｓｒｎｎｉａｍａｌｅｅａｕｅｄｉｎｔｏｇａｔｊｍｍｉｇｃｐｂｌｙｆ — ｎａａｉｔ．Ｕｓｎｉｅｅｏｒｓｐｌｎｉｉｇａｆｔｒｄｐｗｅｕｐｙ，ａｄｌ
ｏｈｅｉｎｃｎｅｔｏｉｃｉ，ｉｒｑｉｅｉｈｓｇａｏｎｉｅｒｔｏ（ＮＲ），ｈｇｅｓｔｉｙ，ｎｔｅｄｓｇｏｃｐｆｃｒｕｔｔｅｕｒｓｈｇｉｎｌｏｓａｉＳｔｉｈｓｎｉｖｔｉ
ＡｂｔａｔＰａｓｖｎａｉｓｒｃ：ｓｉｅｄｙｍｃＦＴＩｓｅｔｏｍｅｅａｅｕｅｏｒｔｐｅｔａｎａｙｉｎｖｒｎ— Ｒｐｃｒｔｒｃｎｂｓｄｆｈｅｓｃｒｌａｌｓｓｏｆｅｉｏｍｅｔｌｒｄｉｔｏｎａａａｉｎ，ａｎｒｒｄｓｇｎｌｄｔｃｉｎｐａｎｉｐｔｎｔｒｅｉｐｅｔｏｍｅｒ．Ｂａｅｎｄｉｆａｅｉａｅｅｔｏｌｙｓａｍｏｒａｏｌｎｓｃｒｔｙｓｄ
电路设计原理，用滤波电源供电，用高速低噪声高精度的运算放大器，采使通过合理的电路布局和元器件选择来设计红外信号检测电路。在大气环境和室内气室的实验条件下，外信号检测红

微弱光强信号采样电路设计

图Q !@ 型反馈电阻网络放大器电路 9 # ; Q L * % ) 6 " + J" . . % % ! 3 & 4 J+ % # ) & * 4 % !@ :
"` 2 3 ) + & 4 ) B C : I5 I C E B 6D C : B 6M ; I ; E I C 5 :E C L E 9 C IC D9 D ; MC : A B : L ; E C D C 5 : A ; B D 9 L C : R G NR G ! C : D I L 9 A ; : I D 7 ) 5D 5 6 O ; I H ;R L 5 S 6 ; A5 K B A 6 C K C E B I C 5 :B : MD B A 6 C : 5 L K B C : I5 I C E B 6 D C : B 6 I H C D R R GK R G ! M ; D C : D BX C : M5 K B ; L B : B 6 U ; D I H ; D H 5 L I E 5 A C : D5 K I L B M C I C 5 : B 6 H 5 I 5 ; 6 ; E I L C EM ; I ; E I C 5 :E C L E 9 C I G R R N G R ! H 5 I 5 ; 6 ; E I L C EM ; I ; E I C 5 :E C L E 9 C IF C I HR L 5 L B AA B S 6 ;A B : C K C E B I C 5 : S B D ; M5 :I H ;B 6 C E B I C 5 : D5 K R G G R R ) = : ; I F 5 L X5 KK ; ; M S B E XL ; D C D I B : E ;B : MA 9 6 I C D I B ;B A 6 C K C ; LE C L E 9 C I 7) H L 5 9 HI H ;L B I C 5 : B 6 G R G ! B 6 6 5 E B I C 5 :5 KS ; K 5 L ;B : MB K I ; LE 6 B D DA B : C K C E B I C 5 : I H C DD B A 6 C : C L E 9 C II H B IC A L 5 O ; DI H ; G R GE R !C DD 9 C I B S 6 ;K 5 LI H ;M ; I ; E I C 5 :5 KK B C : I L ; D 5 : D ;D ; ; MB : ML ; M 9 E ; D: 5 C D ;L ; 9 C L ; A ; : I D R R b ! E B I I ; L ; M 6 C H I B : ML ; K 6 ; E I ; M 6 C H IF C I H 6 B L ; L B : ;5 K C : I ; : D C I : MF B O ; 6 ; : I H 7 K 6 9 5 L ; D E ; : E ;D G G G G NB G " ' ' ' 5 % " + ! K B C : I 5 I C E B 6 D C : B 6 ) = : ; I F 5 L X5 K K ; ; M S B E X L ; D C D I B : E ; A 9 6 I C D I B ; B A 6 C K C ; L E C L E 9 C I R G G R ,6 L 5 L B AA B S 6 ;A B : C K C E B I C 5 : R G G

适用于光纤传感微弱信号检测的A／D转换芯片接口电路设计

ＷＥＮｉｏｗｅＨＥｉＳ，Ｍａ — ｎ，Ｒｕ — ｉＰＥＩＬｉ
（ｎｔｕｅＬｇｔｖｅｎｌｙＢｉｎａｔｎｉｒｉＢｉｎ００４ＣｉａＩｓｔｔｉｉ￣ｅｃｏｏｅｉｇＪｏｏｇＵｎｚｓｙ，ｅｉ１０４，ｈｎ）ｋＴｈｇｊｉ￣ｔｊｇ
ＡｂｔａｔＳｒｎｔｉｅｐｉｅｓｒｄｔｃｉｎｉｏｓｄｒｄｂｃｕｅｏｔｘｅｌｎｉｅｒｔｓｒｃ：ｔｅｇｈｆｒｏｔｓｎｏｅｅｔｓｃｎｉｅｅｅａｓｆｉｅｃｌｔｌａｉｂｃｏｓｅｎｙ，ｈｇｅｉａｃｏｉｈｒｓｔｎｅｔｓｅｅｔｏｇｅｉｉｔｒｅｅｃｎｔｅｈｒｃｅｉｔｓＩｒｅｏｕｉｚａｉｕｃａｉｎ，ａｄｆｒｈｒｅｈｎｌｃｒｍａｎｔｎｅｆｒｎｅａｄｏｈｒｃａａｔｒｓｉ．ｎｏｄｒｔｔｉｅｉｖｒｓｏｃｓｓｎｕｔｅｎａ — ｃｃｌｎｏｏｃｎｈｅｓｔｉｙｏｈｅｅｔｎｏｗ— ｏｒｉｎｌｅｄｌｔｎｉｏｔｎ．Ｔｈ／ｃｎｅｔｒｃｉｓｆｒｉｇｔｅｓｎｉｉｔｆｔｅｄｔｃｉｆｏｐｗｅｇａｄｍｏｕａｉｉｖｏｌｓｏｓｍｐｒａｔｅＡＤｏｖｒｅｈｐｏａｗｅｋｓｎｌｅｅｔｎｉｈｉｅｐｉｅｓｎｎｒｇａａｉａｔｃｉｔｅｆｒｔｓｎｉｇａｄｐｏｒｍｍａｌｌｇｃｄｖｃｔｒａｅｃｒｕｔｅｉｎａｅｉｔｏｇｄｏｎｂｏｃｂｅｏｉｅｉｅｉｅｆｃｉｃｉｄｓｇｒｒ — ｎｎｄｃｄｈｄａｔｇｓａｄｄｓｄａｔｇｓｏａｉｕｐｉｎｒｎｌｓｄａｄｓｍｍａｉｄａｄａｐｒｆｔｅｐｏｕｅ，ｔｅａｖｎａｅｎｉａｖｎａｅｆｖｒｓｏｔｓａｅａａｙｅｎｕｏｏｒｅｎａｔｏｈｒ —

光纤光栅微弱信号检测的解调电路_贾振安

文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2012） 05 － 0079 － 03
Demodulation Electric Circuit of Optical Fiber Grating Weak Signal Detection
JIA Zhen-an，ZHENG De-lin （ Xi'an Petrolenu University Key Laboratory of Photoelectricity Gas-oil Logging and Detecting of EMC，Xi'an 710065，China）
大器的输出通常需要匹配到 50Ω，以便能够与下一级电路级联［4］。由于光电信号相对比较微弱，因此互阻放大器和前置放
大部分需采用失调电压和偏置电流小的运算放大器，以减少噪
声。运算放大器 OPA2277PA 工作电压为 4 ～ 36 V，失调电压 Vio = ± 50 μV，偏置电流 Ib = ± 2. 8 nA，噪声电压 En = 8 nV / Hz － 2 ，噪声电流 In = 0. 2 pA / Hz － 2 。根据等效输入噪声模型由放大器提供的噪声由式（ 1）计算；
号速率相适应，通常为 0. 7 倍的信号速率，以同时获得较好的噪声和码间干扰性能［3］。此外，从时域上看，带宽还影响输出
电压波形的上升和下降时间；等效输入噪声电流谱密度决定着
最小能够检测到的光电流；而当输入电流增大时，互阻放大器
又会进入饱和，因此，电压余度决定着动态范围的大小；互阻放图 1 光电解调电路原理图
工作，接收光信号形成光生载流子并雪崩倍增，形成放大的电信号作为前置放大电路的输入信号，在经过固定的雪崩增益的前放电路后，进入后续电路。由于雪崩管的特性（雪崩效应和雪崩击穿效应）对温度变化非常敏感，所以需要通过温度监控电路自动调整雪崩管的偏置电压，以达到温度补偿的目的。 GT322 InGaAs PIN 光电二极管，其光敏面积为 60 μm，光谱响应范围为 900 ～ 1 700 nm，暗电流为 0. 11 nA，响应度为 0. 94 μA / μW，响应速度约 0. 3 ns． APD 需要的偏置电压高达 60 V，因此需要专门的升压电路，可采用 DC － DC 开关升压的方法，将 2. 7 ～ 11 V 的直流电压最大升高到 70 V．升压电路芯片采用 MAX15031，输出电压通过反馈电阻进行调节。APD 偏置电路如图 2 所示。

微弱光电信号检测与采集技术研究

微弱光电信号检测与采集技术研究微弱光电信号检测与采集技术研究一、引言光是一种重要的信息载体，存在于自然界和人类活动的方方面面。

然而，许多重要的光源都非常微弱，例如，红外线、荧光、低亮度星光等。

为了更好地实现对这些微弱光信号的检测和采集，微弱光电信号检测与采集技术得到了广泛的研究。

本文将深入探讨微弱光电信号检测与采集技术的研究进展。

二、微弱光电信号检测技术微弱光电信号的检测是一项具有挑战性的任务。

目前，常用的微弱光电信号检测技术主要包括增益放大、光增强技术、超高灵敏度探测器等。

其中，增益放大技术是最常用的一种方法。

通过利用放大器对微弱光信号进行放大，可以提高信噪比，从而更好地检测信号。

光增强技术利用光学器件将微弱光信号转化为明亮图像，以增加信号强度。

超高灵敏度探测器利用其在低光条件下的高灵敏度，可以提高光信号的检测效果。

三、微弱光电信号采集技术微弱光电信号的采集是将检测到的微弱光信号转化为数字信号或模拟信号的过程。

常用的微弱光电信号采集技术主要有模数转换技术、频率调制技术和时间插值技术等。

模数转换技术是将连续的模拟光信号转换为数字信号的过程。

通过提高模数转换器的分辨率和采样速率，可以更准确地采集微弱光信号。

频率调制技术是将微弱光信号的频率调制到可检测范围内，以提高信号强度。

时间插值技术是利用插值算法对微弱光信号进行时间上的插值，从而提高信号采样率和灵敏度。

四、微弱光电信号检测与采集技术的应用微弱光电信号检测与采集技术在许多领域中得到广泛应用。

以生物医学为例，微弱光电信号检测与采集技术在光动力疗法、荧光成像和生物标记等领域中发挥了重要作用。

在光动力疗法中，通过对微弱光信号的检测和采集，可以实现对癌细胞的精确照射，提高治疗效果。

在荧光成像中，微弱光电信号检测与采集技术可以实现对生物组织中的荧光信号的高灵敏度检测，以获得更准确的生物信息。

此外，在生物标记中，微弱光电信号检测与采集技术可以用于快速准确地检测生物标记的存在与浓度。

微弱信号检测技术的原理及应用(含卡尔曼滤波与维纳滤波)

微弱信号检测技术的原理及应用2018年1月一、微弱信号检测的基本原理、方法及技术在自然现象和规律的科学研究和工程实践中，经常会遇到需要检测诸如地震的波形和波速、材料分析时测定荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号测量等。

这些测量量被强背景噪声或检测电路的噪声所淹没，无法用传统的测量方法检测出来。

微弱信号，为了检测被背景噪声淹没的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析背景噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出目标信号的方法。

微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号。

微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，主要是考虑如何抑制噪声和提高信嗓比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。

抑制噪声的现代信号处理手段的理论基础是概率论、数理统计和非线性科学。

1、经典检测与估计理论时期这一时期检测理论主要是建立在统计学家工作的基础上的。

美国科学家WienerN .将随机过程和数理统计的观点引入到通信和控制系统中，提出了信息传输和处理过程的统计本质，建立了最佳线性滤波理论，即维纳滤波理论。

NorthD.O.于1943年提出以输出最大信噪比为准则的匹配滤波器理论；1946年卡切尼科夫(BA.K)提出了错误判决概率为最小的理想接收机理论，证明了理想接收机应在其输出端重现出后验概率为最大的信号，即是将最大后验概率准则作为一个最佳准则。

1950年在仙农信息理论的基础上，WoodwardP.M.把信息量的概念用于雷达信号的检测中，提出了理想接收机应能从接收到的信号加噪声的混合波形中提取尽可能多的有用信息。

但要知道后验概率分布。

所以，理想接收机应该是一个计算后验概率分布的装里。

1953年以后，人们直接利用统计推断中的判决和统计理论来研究雷达信号检测和参盘估计。

密德尔顿(Middleton D)等用贝叶斯准则(最小风险准则)来处理最佳接收问题，并使各种最佳准则统一于风险理论。

微弱信号检测

光电检测技术——微弱光检测一、相关检测原理 (2)1 相关函数 (2)2、相关检测 (3)二、锁定放大器 (6)1、基本原理 (6)2、锁定放大器的主要参数 (8)三、光子计数技术 (10)1、基本原理 (10)2、光子计数器的组成 (13)3、光电倍增管 (14)4、光子计数系统的测量误差 (15)在许多研究和应用领域中,都涉及到微弱信号的精密测量.然而，由于任何一个系统部必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义。

在光电探测系统中，噪声来自信号光、背景光、光电探测器及电子电路。

通常抑制这些光学噪声和干扰的方法是：合理压缩系统视场,在光学系统结构上抑制背景光，加适当光谱滤波器，空间滤波器等以抑制背景光干扰。

合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市电（50Hz)频率和空间高频电磁波频率，偏离l／f噪声为主的区域，以使光电探测系统在工作的波段范围内达到较高的信噪比。

此外，在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术,选取适当的电子滤波器限制系统带宽，以抑制内部噪声及外部干扰。

保证系统的信噪比大大改善，即使信号较微弱时，也能得到S/N>1的结果。

但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或者说信号完全被噪声深深淹没时，再采用上述的办法，就不会有效,必须利用信号和噪声在时间特性方面的差别，也即利用信号和噪声在统计特性上的差别去区分它们，来提取被噪声淹没的极微弱信号，即采用相关检测原理来提取信号。

一、相关检测原理利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来,这种摄取方法称为相关检测或相干接收，是微弱信号检测的基础。

信号的相关性用相关函数采描述，它代表线性相关的度量,是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。

1 相关函数相关函数R xy是度量两个随机过程x(t），y（t)间的相关性函数，定义为（1）式中τ为所考虑时间轴上两点间的时间间隔.如果两个随机过程互相完全没有关系(例如信号与噪声,则其互相关因数将为一个常数，并等于两个变化量平均值的乘积；若其中一个变化量平均值为零(例如噪声），则两个变化量互相关函数R xy将处处为零，即完全独立不相关.如果两个变化量是具有相同基波频率的周期函数，则它们的互相关函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波。

微弱信号检测的原理和方法

窄带通滤波器的实现方式很多：
常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器等，其中双T选频可以做到相对带宽等于千分之几左右（f0为带通滤波器的中心频率）
晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。
即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，
因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。
2 )]
两信号相乘后，通过积分器进行积分，
假定积分器的积分时间常数为T，而且积分时间
也取ｔ＝T， T＝ 2
V (t) 则： s0
1
T
T 0
Kv
Vs1V2 2
[cos(1
2 )
cos(2
t
1
2 )]dt
Kv 2
Vs1V2
cos(1
2)
由上式可见，锁定接收法最后得到的是直流输
出信号，而且这个直流信号的大小和两信号的
白噪声：当其通过一个电压传输系数为Kv，
带宽为B=
f
-
2
f
的系统后，
1
则输出噪声为：
En20
f2 f`1
df
( K v2为常数)
K
2 v
En2i f in
( f2
f1 )
K
2 v
En2i f in
B
●由上式可以看出：
噪声输出总功率与系统的带宽成正比，
通过减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。
之间满足下述关系：
f t 1
为了检测单次信号，要求滤波器的带宽B大于单
次信号的频宽，即： B f
因为： ∴
SNIR fin B
fin 1 SNIR t
B 1 t
即： B fin SNIR

微弱光信号探测APD处理电路设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ（ＡＰＤ）ｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇｗｅａｋｌｉｇｈｔｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
从图２中可以看出：ＡＰＤ为核心器件，ＡＰＤ探测
器将接收到的微弱激光回波信号转换成电信号；ＡＰＤ
１０
左侧为前期信号采集部分，依据ＡＰＤ探测器工作原理、自身特性及外界影响因素分别设计了该部分电路；ＡＰＤ右侧为后期信号处理部分，前置放大电路用
作者简介：李天浩（１９８６一），男，辽宁锦州人，学士，主要研究方向为光电技术和光学设计
光
电
技
术
应
用
第２９卷
ＡＰＤ的雪崩增益，又称倍增系数，它定义为
Ｍ：／Ｍ／／Ｒ（１）
雪崩抑制电路和计时电路，使雪崩发生后迅速地切断雪崩，并通过计时电路重置偏置电压，以使ＡＰＤ恢
近似表示为
ＡＰＤ相关处理电路可以分为两大部分：前期信号采集电路和后期信号处理电路。前期信号采集电（２）路主要为ＡＰＤ在复杂多变环境下正常工作提供保
障，使ＡＰＤ处于最佳增益状态下，以达到探测微弱光

微弱信号检测的前置放大电路

引言
针对精准农业中对微弱信号检测的技术需求，本ppt设计了以电流电压转换器，仪表放大器和低通滤波器为主要结构的微弱信号检测前置放大电路。结合微弱信号的特点讨论了电路中噪声的抑制和隔离，提出了电路元件的选择方法与电路设计中降低噪声干扰的注意事项。本文利用集成程控增益仪表放大器PGA202 设计了微弱信号检测前置放大电路，并利用微弱低频信号进行了测试，得到了理想的效果。
4、电路的设计与实现
综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况，本文选用PGA202 搭建仪表放大器，对微弱信号检测前置放大电路进行了整体设计。
4.1 PGA202 简介这里所选用的PGA202 是由BURR-BROWN 公司生产的，
PGA202 是一种程控仪表放大器，它内部集成了程控的增益改变逻辑电路。由于省去了增益控制部分，利用 PGA202 搭建仪表放大器可以使电路结构得到很大的简化，并且它的放大倍数稳定精确，为后续的数据处理提供了方便。PGA202 的内部结构如图3。
电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构，通过程控开关调整反馈电阻的大小，从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电路进行隔离，程控开关选用光偶开关。为了提高仪表放大器的性能，可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪表放大器，如INA127，它内部集成了仪表放大器的主要结构，有很好的对称性，可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202 是一款可程控放大倍数的仪用放大器，应用它可以简化电路结构，但PGA202 需要搭建差分输入级，这样就降低了共模抑制能力。2007 年末ADI 公司推出的AD8253 芯片集以上两种芯片的优点于一身，不但集成了完整的仪表放大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路，是微弱信号检测前置放大电路的理想选择。

微弱光信号探测设计参考

APD光电二极管
• PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 • APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 • 工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)-------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。
C (m )
hc E
g
E
1 . 24
g
( eV )
在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子－空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。
Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0 m Ge： C=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m InGaAs： C=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m
气相色谱仪上检测器的放大电路：据说可以测量到1pA以下，测量速率最大150Hz
指零仪电路：具有超高的电流灵敏度、可以悬浮使用、无需换档、短路法测试、双输出
《图解DIY+1pA超微电流测试器》第44页的几点总结说明可以参考
微弱信号检测电路总结： 1，用最简单的电路，任何其他电路或器件都将引入新的漏电和额外的不确定因素。 2，选用Ib尽可能小的运放和尽可能大的电阻。 3，检测电路必须做好屏蔽。 4，应注意线路板上的布线, 减少泄漏电流。 5，必要时可将PIN 管和反馈电阻悬浮, 与运放直接相连,以减小泄漏电流,提高检测的灵敏度。
吸收外电场加速
耗尽层仍为I 层，起产生一次电子－空穴对的作用。
APD倍增系数与过剩噪声因子
• 1、倍增系数 M = Ip / I0 IP--平均输出电流， • I0--一次光生电流 • IP ＝M I0 ＝MRPin • 倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。 • 2、过剩噪声因子F • 在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声。F又可近似表为：F＝Mx • x被称为过剩噪声指数。

微弱信号检测的原理和方法

光电信号处理微弱信号检测的基本原理与方法第三章微弱信号检测的基本原理与方法§3.1 低噪声电子设计的适用范围§3.2 窄带滤波法§3.3 双路消噪法§3.4 同步累积法§3.5 锁定接收法§3.6 取样积分法(Boxcar方法)§3.7 相关检测法§3.8 光子计数技术§3.9 计算机处理方法§3.10 常用弱检仪器§3.1 低噪声电子设计的适用范围1低噪声电子设计的适用范围前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法。

这些方法使用的前提是要求在电信号处理的输入端有足够大的信噪比，处理的结果是使信噪比不至于变坏。

如果在信号处理系统的输入端，信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，仅用低噪声电子设计的方法就不行了。

这时，必须根据信号和噪声的不同特点，采用相应的方法将信号与噪声分离。

2微弱信号检测的途径微弱信号检测的途径：●一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；●二是研制适合弱信号检测的原理，并能满足特殊需要的器件，●三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号，这三者缺一不可。

从数学表达式看，SNIR是噪声系数NF的倒数，但实质上两者是有差别的。

●噪声系数是对窄带噪声而言的，并且得到结论NF≥1。

这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的带宽；●实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽，因而噪声系数NF便有可能要小于1，同时又考虑到实际的情况，因此而给出信噪比改善的概念。

§3.2 窄带滤波法●原理：利用信号的功率谱密度较窄而噪声的功率谱相对很宽的特点，●方法：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来。

●由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大的提高。

基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测研究

基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测研究基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测研究摘要：微弱光电信号检测技术在光学传感、无线通信、生物医学等领域具有重要的应用价值。

本文通过对数字锁相放大器的原理和结构进行分析，研究了其在微弱光电信号检测中的应用。

通过实验验证，数字锁相放大器具有优异的性能，能够实现对微弱光电信号的高灵敏度检测，同时具备较高的精确度和稳定性。

研究结果表明，基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测技术为相关领域提供了一种可靠的解决方案。

1. 引言微弱光电信号的检测是光学传感、无线通信和生物医学等领域中具有挑战性的问题之一。

传统的光电信号检测技术受到噪声、杂散等因素的干扰，难以实现高灵敏度的检测。

为了解决这一问题，数字锁相放大器应运而生。

数字锁相放大器以其独特的工作原理和结构，在微弱光电信号检测中得到了广泛应用。

2. 数字锁相放大器的原理与结构数字锁相放大器是一种将模拟信号转化为数字信号进行放大和处理的设备。

其基本原理是将输入信号与参考信号进行相位比较，然后通过数字处理单元对相位差进行采样和积分，最终得到放大后的信号。

数字锁相放大器主要由模拟信号采样电路、数字信号处理单元和数模转换电路等组成。

3. 数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用数字锁相放大器具有高灵敏度、高精确度和高稳定性等优点，因此在微弱光电信号检测中有着广泛的应用。

通过对数字锁相放大器进行参数调节，可以实现对微弱光电信号的优化检测。

同时，数字锁相放大器还能够对杂散、噪声进行抑制和排除，提高信号的纯度和可靠性。

4. 实验验证与结果分析通过对基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测系统进行实验验证，研究了其性能表现。

实验结果显示，数字锁相放大器在微弱光电信号检测中具有高灵敏度和稳定性。

同时，其检测结果还具有较高的精确度和重复性。

实验结果的可靠性和准确性验证了数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用潜力。

5. 结论基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测技术具有良好的性能表现，能够在光学传感、无线通信和生物医学等领域中提供可靠的解决方案。

微弱信号检测

AV
4.3.2 相关检测原理
为了将被噪声所淹没的信号检测出来，人们研究各种信号及噪声的规律，发现信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的结果，从而提出了“相关”的概念。由于相关的概念涉及信号的能量及功率，因此先给出功率信号和能量信号的相关函数。
一. 引言
f1(t)与f2(t)是能量有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数 f1(t)与f2(t)是功率有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数
1．时域相关与频域的窄带化技术利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背景下提取周期信号的“相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。 2．平均积累处理对于一些宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器可获得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波形，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因为“信号电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而“噪声功率为矢量相加”（无规律的随机信号）。
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
4.3 微弱信号检测
4.3.0 概述
一.微弱信号检测定义
前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产生噪声“污染”；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。