激光干涉仪光电检测电路的设计
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图1 光电检测电路组成框图
2 光电转换前置放大电路
硅光电 二 极 管 的 光 谱 响 应 范 围 从 可 见 光 到 1 100 nm ,响应时间从 10 - 9 s 到 10 - 8 s , 响应速度 快 。选用探测单元为 <0. 8 mm 的 PIN 型高速硅光 电二极管 S10783 ,其响应度为 0. 46μA/μW ,暗电流 为 0. 01 nA ,结电容为 4. 5 p F 。 硅光电二极管在光伏模式下工作 , 可实现非常 精确的线性度 ,被放大的信号只与入射光强成正比 。 此时暗电流为零 ,探测器的噪声主要是散粒噪声和 电阻的热噪声 ,当待测信号是微安级的微弱电流信 号时 ,这对提高系统信噪比是非常有益的 。 光电转换前置放大电路将μA 级光电流信号变 换成与后续电路匹配的电压信号 , 这就要求放大器 具有低噪声及低输入偏置电流和输入失调电压性 能 。MA X4488 是 CMOS 输入级运算放大器 , 具有 非常高的输入阻抗 ,在 1 k Hz 时输入电压噪声密度
在前置放大电路的输入端 , 由硅光电二极管的 散粒噪声和热噪声引起的噪声电流输入为
图2 光电转换前置放大电路
In = I
2 ( I2 ns + I nt ) f 3dB 2 ns
( 7)
= 2 qi p
・285 ・
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 31 No. 2
4. 5 nV/ Hz ,输入电流噪声密度 0. 5 f A/ Hz , 输
反馈电容 Cf = 1 p F , 运放 U1 的输入电容 Cin = 10 p F 。代入式 ( 2) ,计算可得 f 3dB = 656. 9 k Hz ,前放电 路带宽 远 大 于 参 考 激 光 干 涉 信 号 的 调 制 频 率 值
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 31 No. 2
Apr. 2010
光电技术应用
激光干涉仪光电检测电路的设计
刘日龙 , 殷德奎
( 中国科学院上海技术物理研究所 , 上海 200083)
摘 要: 依据大气垂直探测仪的设计要求 ,给出激光干涉信号光电检测电路的实现方法 。通 过选择合适的探测器 ,对前置放大级进行噪声分析 , 设计了低噪声光电转换前置放大电路 。利用 Multisim 对 2 阶 But terwort h 低通滤波器进行仿真 ,验证了所设计的滤波器是可行的 。简化设计 了整形电路 ,从而获取脉冲输出信号 。 关键词 : 光电检测 ; 放大器 ; 滤波器 ; 噪声 ; 干涉 中图分类号 : TN247 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 ( 2010) 02 - 0284 - 04
Vn =
2 2 2 2 (V 2 ns + V nt + V ne + V ni + V nr ) f 3dB
( 3)
V V
2 nt
2 ns
= 2 qI P R
2
2 f
= 4 k T R f / Rd V ni = in Rf
2 2 2 2
2 2 V ne = ( en R f / Rd )
V nr = 4 k T R f / Rd
图4 滤波器幅频特性与相频特性曲线
仿真结果表明 , 当幅值下降到 0. 705 时所对应 的频率值为 533. 3 k Hz ,与滤波器截止频率 f c = 530
k Hz 相对应 , 频率值为 5. 38 M Hz 时所对应的幅值
是 0. 0098 ,阻带幅值衰减为 40 dB/ 10 倍频 。仿真分 析与理论设计基本一致 , 验证了所设计的滤波器的 正确性 。 比较整形电路把低通滤波输出的正弦信号变换 为方波脉冲信号 ,通常采用简单的过零比较器便可 把正弦信号整形成方波信号 , 但过零电压比较器在 零点附近的抗干扰能力较差 。当正弦信号过零时 , 由于信号不稳定或噪声的影响 , 在零点附近有小幅 抖动 ,因此在这样的过渡带 , 比较器会发生多次翻 转 ,导致比较器输出不稳定 ,这是应当避免的 。利用 迟滞比较器代替过零比较器可以提高抗干扰能力 , 避免比较器错误翻转 。
因此 ,前置放大电路的噪声系数
F = ( 10)
式 ( 10) 表明 ,该光电转换前置放大电路满足低噪声 设计要求 。
3 低通滤波和比较整形电路
通过 MA X4488 构成同相放大器的次级放大电 路后 ,正弦电压信号由前置放大电路 0. 23 V 输出提 升到次级放大电路 2 V 输出 , 满足滤波和整形电路 信号幅值要求 。 经过前级放大的激光干涉信号不可避免存在高 频干扰 ,因此设计低通滤波电路来抑制高频噪声 。 But terwort h 低通滤波器在 ω = 0 及其附近的通带 具有最平坦的幅频响应 ,且随着阶数 n 的增加 ,其频 率响应特性越接近理想的低通滤波特性[ 6 ] 。根据对 系统带宽内电压幅频响应平坦及阻带衰减的滤波器 设计要求 ,选用 2 阶 But terwort h 低通滤波器 ,采用 一级运算放大器 MA X4488 、 两节 R C 滤波网络组成 的有源滤波电路实现 ,其电路如图 3 所示 。
Apr. 2010
I nt = 4 k T / Rd
2
( 8)
其中 , I ns 为硅光电二极管的散粒噪声电流 , I nt 为硅 光电二 极管 的热 噪声 电流 , 计算 可 得 I n = 0. 234 nA ,则前放输入端的信躁比
S N Ri = Ip 0 . 23 ×10 - 6 = = 947 In 0 . 243 ×10 - 9 S N Ri = 1 . 09 S N Ro ( 9)
2
3
( 4)
其中 ,V ns 是硅光电二极管的散粒噪声电压 , V nt 是硅 光电二极管的热噪声电压 ,V ne 是运放的输入电压噪 声引起的输出噪声电压 ,V ni 运放的输入电流噪声引 起的输出噪声电压 ,V nr 是反馈电阻的热噪声电压 。 已知相关参数值 , MA X4488 输入电压噪声密 度 en = 4. 5 nV/
f A/ Hz , 输入电流噪声密度 in = 0. 5 Hz ,电子电菏量 q = 1. 6 × 10 - 19 C , 波尔兹曼
入偏置 电 流 1 p A , 输 入 失 调 电 压 70 μA , 这 使 得
MA X4488 能够满足源阻抗较高的硅光电二极管前
置放大电路的低噪声要求 ,且能有效地减小系统误
263. 5 k Hz ,完全满足系统的带宽要求 。
根据电路的噪声理论 , 光电检测电路级联网络 的噪声系数主要受前置放大级噪声系数的影响 。考 虑硅光电二极管的散粒噪声和热噪声 , 以及前放电 路的电压噪声 、 电流噪声和反馈电阻的热噪声 ,可得 出光电转换前置放大电路在系统带宽内的噪声电压 输出为[ 5 ,7 ]
《半导体光电》 2010 年 4 月第 31 卷第 2 期
刘日龙 等 : 激光干涉仪光电检测电路的设计
的波长 。按大气垂直探测仪的设计要求 , 动镜在匀 速段速 度 为 8. 34 cm/ s , He2Ne 激 光 器 的 波 长 为 632. 8 nm 。代入式 ( 1 ) ,计算可得 f = 263. 5 k Hz ,给 定频率值便可求出电路的相关参数 。
பைடு நூலகம்
Design of a Photoeletric Detecting Circuit f or Laser Interferometer
L IU Rilo ng , YIN Dekui
( Shanghai Institute of Technical Physics , Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 200083 ,CHN)
Abstract : An implementatio n met hod of p hotoelect ric detecting circuit for laser interfero met ry signals is p rovided according to t he performance of t he so under . In order to design a low2noise p reamplifier circuit , it is necessary to choo se an app rop riate p hotoelect ric detector and to analyze t he noise performance of p reamplifer . A 22step But terwort h low pass filter is designed and t he simulatio n in Multisim enviro nment p roves t hat t he filter is effective. A co nditio ning circuit is al so designed for get ting p ul se o utp ut signal s. Key words : p hotoelect ric detecting ; amplifier ; filter ; noise ; interfero met ry
常数 k = 1. 38 × 10 - 23 J / K , 光电流 Ip = 0. 23 μA , 计 算可得 V n = 0. 266 mV 。光电转换前置放大电路的 输出电压为
V o = Ip Rf = 0 . 23 V ( 5)
则前放输出端信躁比
S N Ro = Vo 0 . 23 = = 865 Vn 0 . 266 ×10 - 3 ( 6)
器参数 : R1 = 220 Ω , R2 = 100 Ω , R3 = 220 Ω , C1 = 1nF , C2 = 4nF , Q = 0. 71 。 为了验证所设计的 2 阶 But terwo rt h 低通滤波 器是否满足要求 ,在 Multisim10 中进行电路仿真分 析 ,滤波器的幅频特性与相频特性如图 4 所示 。
差 ,保持电路精度 [ 3 ] 。光电转换前置放大电路如图
2 所示 。
光电转换前置放大电路的 3 dB 带宽可由下式 给出 [ 4 ] :
f 3dB = B
πRf ( Cj + Cf + Cin ) 2
( 2)
式中 ,运放 U1 的增益带宽积 B = 42 M Hz , 反馈电 阻 Rf = 1 MΩ , 硅光电二极管的结电容 Cj = 4. 5p F ,
0 引言
激光干涉仪是干涉式大气垂直探测仪的参考干 涉系统 。它利用波长为 632. 8 nm 的 He2Ne 激光光 源 ,在大气垂直探测仪的动镜运动时 ,与目标红外辐 射一起在主干涉系统中同时被调制 , 通过对光电探 测器接收的激光干涉信号进行处理 , 可以获取控制 信号用来触发主干涉仪等间隔采样及控制动镜匀速 运动 。激光干涉信号是微安级的微弱电流信号且带 宽可达 0. 5 M Hz , 为了获取这样的微弱信号 , 需要 设计低噪声的光电检测电路 。在微弱光电信号检测 领域 ,各种新方法层出不穷 , 文献 [ 1 ] 给出基于锁相 放大原理的光电检测电路实现方法 ,文献 [ 2 ] 提出用 快前置放大器对光电信号进行检测 。本文提出了一 种基于低噪声低失真宽带运放 MA X4488 的光电检
收稿日期 :2009 - 04 - 23. ・284 ・
测电路设计方法 ,能将掩埋在噪声中的激光干涉信 号提取出来 ,通过滤波和整形处理 ,获取脉冲输出信 号 ,为大气垂直探测仪的可靠运行提供有效的控制 信号 。
1 激光干涉信号检测
激光干涉信号通过硅光电探测器接收后生成光 电流 ,经过光电转换前置放大和次级放大电路 ,获取 信号幅值和后续信号调理电路匹配的正弦电压信 号 ,再经过低通滤波电路滤除激光干涉信号的高频 噪声 ,最后对信号进行比较整形获得输出信号 。激 光干涉信号光电检测电路组成如图 1 所示 。 根据干涉信号产生原理 , 参考激光干涉信号的 调制频率 f 可表示如下 : ( 1) f = 2 v/λ 其中 , v 是主干涉仪动镜的速度 ,λ是 He2Ne 激光器
2 光电转换前置放大电路
硅光电 二 极 管 的 光 谱 响 应 范 围 从 可 见 光 到 1 100 nm ,响应时间从 10 - 9 s 到 10 - 8 s , 响应速度 快 。选用探测单元为 <0. 8 mm 的 PIN 型高速硅光 电二极管 S10783 ,其响应度为 0. 46μA/μW ,暗电流 为 0. 01 nA ,结电容为 4. 5 p F 。 硅光电二极管在光伏模式下工作 , 可实现非常 精确的线性度 ,被放大的信号只与入射光强成正比 。 此时暗电流为零 ,探测器的噪声主要是散粒噪声和 电阻的热噪声 ,当待测信号是微安级的微弱电流信 号时 ,这对提高系统信噪比是非常有益的 。 光电转换前置放大电路将μA 级光电流信号变 换成与后续电路匹配的电压信号 , 这就要求放大器 具有低噪声及低输入偏置电流和输入失调电压性 能 。MA X4488 是 CMOS 输入级运算放大器 , 具有 非常高的输入阻抗 ,在 1 k Hz 时输入电压噪声密度
在前置放大电路的输入端 , 由硅光电二极管的 散粒噪声和热噪声引起的噪声电流输入为
图2 光电转换前置放大电路
In = I
2 ( I2 ns + I nt ) f 3dB 2 ns
( 7)
= 2 qi p
・285 ・
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 31 No. 2
4. 5 nV/ Hz ,输入电流噪声密度 0. 5 f A/ Hz , 输
反馈电容 Cf = 1 p F , 运放 U1 的输入电容 Cin = 10 p F 。代入式 ( 2) ,计算可得 f 3dB = 656. 9 k Hz ,前放电 路带宽 远 大 于 参 考 激 光 干 涉 信 号 的 调 制 频 率 值
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 31 No. 2
Apr. 2010
光电技术应用
激光干涉仪光电检测电路的设计
刘日龙 , 殷德奎
( 中国科学院上海技术物理研究所 , 上海 200083)
摘 要: 依据大气垂直探测仪的设计要求 ,给出激光干涉信号光电检测电路的实现方法 。通 过选择合适的探测器 ,对前置放大级进行噪声分析 , 设计了低噪声光电转换前置放大电路 。利用 Multisim 对 2 阶 But terwort h 低通滤波器进行仿真 ,验证了所设计的滤波器是可行的 。简化设计 了整形电路 ,从而获取脉冲输出信号 。 关键词 : 光电检测 ; 放大器 ; 滤波器 ; 噪声 ; 干涉 中图分类号 : TN247 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 ( 2010) 02 - 0284 - 04
Vn =
2 2 2 2 (V 2 ns + V nt + V ne + V ni + V nr ) f 3dB
( 3)
V V
2 nt
2 ns
= 2 qI P R
2
2 f
= 4 k T R f / Rd V ni = in Rf
2 2 2 2
2 2 V ne = ( en R f / Rd )
V nr = 4 k T R f / Rd
图4 滤波器幅频特性与相频特性曲线
仿真结果表明 , 当幅值下降到 0. 705 时所对应 的频率值为 533. 3 k Hz ,与滤波器截止频率 f c = 530
k Hz 相对应 , 频率值为 5. 38 M Hz 时所对应的幅值
是 0. 0098 ,阻带幅值衰减为 40 dB/ 10 倍频 。仿真分 析与理论设计基本一致 , 验证了所设计的滤波器的 正确性 。 比较整形电路把低通滤波输出的正弦信号变换 为方波脉冲信号 ,通常采用简单的过零比较器便可 把正弦信号整形成方波信号 , 但过零电压比较器在 零点附近的抗干扰能力较差 。当正弦信号过零时 , 由于信号不稳定或噪声的影响 , 在零点附近有小幅 抖动 ,因此在这样的过渡带 , 比较器会发生多次翻 转 ,导致比较器输出不稳定 ,这是应当避免的 。利用 迟滞比较器代替过零比较器可以提高抗干扰能力 , 避免比较器错误翻转 。
因此 ,前置放大电路的噪声系数
F = ( 10)
式 ( 10) 表明 ,该光电转换前置放大电路满足低噪声 设计要求 。
3 低通滤波和比较整形电路
通过 MA X4488 构成同相放大器的次级放大电 路后 ,正弦电压信号由前置放大电路 0. 23 V 输出提 升到次级放大电路 2 V 输出 , 满足滤波和整形电路 信号幅值要求 。 经过前级放大的激光干涉信号不可避免存在高 频干扰 ,因此设计低通滤波电路来抑制高频噪声 。 But terwort h 低通滤波器在 ω = 0 及其附近的通带 具有最平坦的幅频响应 ,且随着阶数 n 的增加 ,其频 率响应特性越接近理想的低通滤波特性[ 6 ] 。根据对 系统带宽内电压幅频响应平坦及阻带衰减的滤波器 设计要求 ,选用 2 阶 But terwort h 低通滤波器 ,采用 一级运算放大器 MA X4488 、 两节 R C 滤波网络组成 的有源滤波电路实现 ,其电路如图 3 所示 。
Apr. 2010
I nt = 4 k T / Rd
2
( 8)
其中 , I ns 为硅光电二极管的散粒噪声电流 , I nt 为硅 光电二 极管 的热 噪声 电流 , 计算 可 得 I n = 0. 234 nA ,则前放输入端的信躁比
S N Ri = Ip 0 . 23 ×10 - 6 = = 947 In 0 . 243 ×10 - 9 S N Ri = 1 . 09 S N Ro ( 9)
2
3
( 4)
其中 ,V ns 是硅光电二极管的散粒噪声电压 , V nt 是硅 光电二极管的热噪声电压 ,V ne 是运放的输入电压噪 声引起的输出噪声电压 ,V ni 运放的输入电流噪声引 起的输出噪声电压 ,V nr 是反馈电阻的热噪声电压 。 已知相关参数值 , MA X4488 输入电压噪声密 度 en = 4. 5 nV/
f A/ Hz , 输入电流噪声密度 in = 0. 5 Hz ,电子电菏量 q = 1. 6 × 10 - 19 C , 波尔兹曼
入偏置 电 流 1 p A , 输 入 失 调 电 压 70 μA , 这 使 得
MA X4488 能够满足源阻抗较高的硅光电二极管前
置放大电路的低噪声要求 ,且能有效地减小系统误
263. 5 k Hz ,完全满足系统的带宽要求 。
根据电路的噪声理论 , 光电检测电路级联网络 的噪声系数主要受前置放大级噪声系数的影响 。考 虑硅光电二极管的散粒噪声和热噪声 , 以及前放电 路的电压噪声 、 电流噪声和反馈电阻的热噪声 ,可得 出光电转换前置放大电路在系统带宽内的噪声电压 输出为[ 5 ,7 ]
《半导体光电》 2010 年 4 月第 31 卷第 2 期
刘日龙 等 : 激光干涉仪光电检测电路的设计
的波长 。按大气垂直探测仪的设计要求 , 动镜在匀 速段速 度 为 8. 34 cm/ s , He2Ne 激 光 器 的 波 长 为 632. 8 nm 。代入式 ( 1 ) ,计算可得 f = 263. 5 k Hz ,给 定频率值便可求出电路的相关参数 。
பைடு நூலகம்
Design of a Photoeletric Detecting Circuit f or Laser Interferometer
L IU Rilo ng , YIN Dekui
( Shanghai Institute of Technical Physics , Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 200083 ,CHN)
Abstract : An implementatio n met hod of p hotoelect ric detecting circuit for laser interfero met ry signals is p rovided according to t he performance of t he so under . In order to design a low2noise p reamplifier circuit , it is necessary to choo se an app rop riate p hotoelect ric detector and to analyze t he noise performance of p reamplifer . A 22step But terwort h low pass filter is designed and t he simulatio n in Multisim enviro nment p roves t hat t he filter is effective. A co nditio ning circuit is al so designed for get ting p ul se o utp ut signal s. Key words : p hotoelect ric detecting ; amplifier ; filter ; noise ; interfero met ry
常数 k = 1. 38 × 10 - 23 J / K , 光电流 Ip = 0. 23 μA , 计 算可得 V n = 0. 266 mV 。光电转换前置放大电路的 输出电压为
V o = Ip Rf = 0 . 23 V ( 5)
则前放输出端信躁比
S N Ro = Vo 0 . 23 = = 865 Vn 0 . 266 ×10 - 3 ( 6)
器参数 : R1 = 220 Ω , R2 = 100 Ω , R3 = 220 Ω , C1 = 1nF , C2 = 4nF , Q = 0. 71 。 为了验证所设计的 2 阶 But terwo rt h 低通滤波 器是否满足要求 ,在 Multisim10 中进行电路仿真分 析 ,滤波器的幅频特性与相频特性如图 4 所示 。
差 ,保持电路精度 [ 3 ] 。光电转换前置放大电路如图
2 所示 。
光电转换前置放大电路的 3 dB 带宽可由下式 给出 [ 4 ] :
f 3dB = B
πRf ( Cj + Cf + Cin ) 2
( 2)
式中 ,运放 U1 的增益带宽积 B = 42 M Hz , 反馈电 阻 Rf = 1 MΩ , 硅光电二极管的结电容 Cj = 4. 5p F ,
0 引言
激光干涉仪是干涉式大气垂直探测仪的参考干 涉系统 。它利用波长为 632. 8 nm 的 He2Ne 激光光 源 ,在大气垂直探测仪的动镜运动时 ,与目标红外辐 射一起在主干涉系统中同时被调制 , 通过对光电探 测器接收的激光干涉信号进行处理 , 可以获取控制 信号用来触发主干涉仪等间隔采样及控制动镜匀速 运动 。激光干涉信号是微安级的微弱电流信号且带 宽可达 0. 5 M Hz , 为了获取这样的微弱信号 , 需要 设计低噪声的光电检测电路 。在微弱光电信号检测 领域 ,各种新方法层出不穷 , 文献 [ 1 ] 给出基于锁相 放大原理的光电检测电路实现方法 ,文献 [ 2 ] 提出用 快前置放大器对光电信号进行检测 。本文提出了一 种基于低噪声低失真宽带运放 MA X4488 的光电检
收稿日期 :2009 - 04 - 23. ・284 ・
测电路设计方法 ,能将掩埋在噪声中的激光干涉信 号提取出来 ,通过滤波和整形处理 ,获取脉冲输出信 号 ,为大气垂直探测仪的可靠运行提供有效的控制 信号 。
1 激光干涉信号检测
激光干涉信号通过硅光电探测器接收后生成光 电流 ,经过光电转换前置放大和次级放大电路 ,获取 信号幅值和后续信号调理电路匹配的正弦电压信 号 ,再经过低通滤波电路滤除激光干涉信号的高频 噪声 ,最后对信号进行比较整形获得输出信号 。激 光干涉信号光电检测电路组成如图 1 所示 。 根据干涉信号产生原理 , 参考激光干涉信号的 调制频率 f 可表示如下 : ( 1) f = 2 v/λ 其中 , v 是主干涉仪动镜的速度 ,λ是 He2Ne 激光器