微弱光信号的光电探测放大电路的设计
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2. Chinese Academy of Sciences Photoelectric Research Institute, Beijing 100094)
Abstract: Analysis of the weak light signal amplifying circuit of the basic working principle，the photoelectric detection for weak signal amplifying the signal -to -noise ratio and the stability problem，the design of a low noise photoelectric signal amplifying circuit，and gives the circuit parameter selection method. Keywords: photoelectric detection; photoelectric diode; amplifying circuit; noise model
(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。
5 结束语
光电二极管放大电路的设计是一件很繁琐的 工作， 虽然实现它的电路看起来很简单， 但由于 复杂的噪声表现形式， 信号本身微弱， 要设计一 个完善的低噪声放大电路有一定难度。 本文给出
32
了该电路设计的一般原则， 分析了该电路的主要 噪声特性， 并最终给出优化电路及元件的参数表 达式， 经实验验证， 取得良好效果， 适用于微弱 光信号的检测。
图4 相位补偿电路
电路在放大器的输出和探测电路的输出之间
加了一个RC低通滤波电路， 滤掉经过放大的噪声
源自文库
和放大器本身的噪声。 电容CC用来补偿RC滤波电路
带来的相位滞后。 电容Cs用来补偿因光电二极管结
电 容CD引 起 的 相 位 滞 后 ， 抑 制 噪 声 增 益 峰 值 。 一
般使Rc≈Ro， Ro是放大器的等效输出电阻， 一般根
(3) 反馈电阻Rf在满足信号带宽的前提下应尽
量大， 这样有利于提高信噪比。 但同时要注意到，
放 大 器 的 偏 置 电 流IB-会 在 反 馈 电 阻 上 产 生 失 调 电 压， 因而Rf也不能太大。
(4) 一般需在反馈电阻上并联小电容Cs， 其取
值范围通常为0～0.5 pF。 这样既可以降低噪声和消
而RD一 般 情 况 下 都 做 的 非 常 大 ， 有 几 百 兆 欧 ， 故
可将其对噪声的影响忽略。
(2) 光电二极管应采取零偏压工作方式， 这样
可减少光电二极管的暗电流， 提高检测精度。 但
同 时 ， 我 们 要 注 意 ， 零 偏 压 时 ， CD比 反 偏 压 工 作
状态下大几十倍， 这又会增加电路噪声。
2 电路噪声分析
作为光电二极管放大器， I/V转换器有一个很
复 杂 的 噪 声 表 现 [2]。 基 本 噪 声 元 件 来 自 于 反 馈 电
阻、 放大器的输入噪声电流和放大器的输入噪声
电压。 其噪声模型如图2所示。
其中：
Eo=IpRf+eno
(1)
eno= 姨(enoR) 2+ (enoi) 2+ (enoe) 2
据经验取值，
通 常 认 为 Ro≈50 Ω，
CL =
Rf Ro+Rc
Cs，
CC=
Rf Rf+Rc
Cs≈Cs。
调 整 Cc的 值 可 以 去 除 振 荡 。
这种
28
图5 优化后的电路幅频特性
4 低噪声光电二极管放大电路的设计原则
通过以上的分析， 总结出低噪声光电二极管
放大电路设计原则如下：
(1) 光电二极管的结电容CD应尽量小， 而结电 阻 RD应 尽 量 大 。 其 中 CD对 噪 声 有 着 重 要 的 影 响 。
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
图3 放大器的幅频特性
在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数 为1+Rf/RD， 由于Rf<<1， 因此开始此阶段近似等于 1， 随 着 频 率 的 增 加 ( 转 折 频 率 为 fzf=1/[ 2πRf ( ci+ cs)])， 噪 声 增 益 曲 线 首 先 由 于CD的 作 用 开 始 升 高 ， 直至由于电容Cs的作用而停止； 在高频段， 噪声增 益被限定在1+Ci/Cs (Ci=CD+Cia)， 由于Cia比较小， 一
噪 声 电 压 源 ， enR为 反 馈 电 阻 产 生 的 热 噪 声 源 。 其
中由电阻产生的热噪声enoR= 姨4KTRf ， K=13.8×10-19 J/巯， T为开尔文温度， K为玻耳兹曼常数， 由偏置
电 流 产 的 失 调 噪 声 为enoi=Rf 姨2qIB- ， q为 电 子 点 电 荷q=1.6×10-19 C， IB-为 偏 置 电 流 。 以 上 两 种 噪 声 不 受放大器工作频率影响。 而噪声源eni产生的噪声电 压enoe则 受 放 大 器 工 作 频 率 影 响 ， 其 增 益 与 信 号 增 益的幅频特性如图3所示。
Weak optical signal of the photoelectric detection circuit design
LI Peng，ZHU Lian-qing，CHEN Qing-shan，ZHOU Wei-hu，HAN Xiao-quan
（1. Beijing Information Science and Technology University College of Optoelectronic Engineering， Beijing 100085
收 稿 日 期 ：2012-04-24 * 基金项目：省部级以上基金资助项目(必须要有编号)
26
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。
27
集成电路应用
般 近 视 认 为Ci≈CD。 由 此 可 见 ， RD越 大 ， CD越 小 ， 对噪声的影响越小， 而加入Cs可限制高频段的噪声 增 益 。 从 图 中 还 可 知 ， 信 号 带 宽 为 fpf=1/(2πRfCS) ， 可知， Rf阻值太大的话， 会严重影响信号带宽。 因 此， 选择Rf时， 要同时考虑电路闭环增益和信号带 宽， 从中选择一个合理的阻值。
1 基本电路
光 电 二 极 管 作 为 光 探 测 器 有 两 种 应 用 模 式 [1] 如图1所示。
集成电路应用
(a) 光伏模式
(b) 光导模式
图1 光电二极管的两种基本放大电路
(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。
doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2012.07.008
集成电路应用
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
李 鹏1， 祝连庆1， 陈青山1， 周维虎2， 韩晓泉2 （1. 北京信息科技大学光电工程学院， 北京 100085
2. 中国科学院光电研究院， 北京 100094）
摘 要： 分析了微弱光信号放大电路的基本工作原理， 针对光电探测中对微弱信号放大带来 的信噪比和稳定性问题， 设计了一种低噪声光电信号放大电路， 并给出了电路参数选择方法。 关键词： 光电探测； 光电二极管； 放大电路； 噪声模型
参考文献
[1] 李远明，陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计[J].武汉 理 工 大 学 学 报 ，2006，11(11)：114-114.
[2] Photodiode Monitoring With Op Amps [R].BB Application Bulletin in USA.January，1995.
情况下的噪声频谱图如图5所示， 阴影部分为滤除 的噪声。 增加CL的值， 将使得AOL′往左移， 减少更 多的噪声， 但要注意不要影响信号带宽。
3 优化电路设计
经光电二极管转换的电信号通常都很微弱， 很容易受外界噪声的干扰。 因此放大电路中对噪 声的抑制变得极关重要。 从图3可以看出， 减少噪 声有两种措施， 一种是减少噪声增益。 在反馈电 阻Rf上并联一个电容Cf [3]， 使得噪声增益变为1+Ci/ (Cs+Cf)。 实验验证， 加上Cf并没有使电路的总输出 噪声减少很多， 只是有所减少。 另外一种更为有 效的抑制噪声的方法是限制噪声带宽[4]。 抑制噪声 带宽有两种措施， 一是减少放大器的开环增益带 宽。 理想情况是使放大器的开环增益减少到信号 带宽的截止点， 不过这对放大器的选择变得非常 有限。 二是通过退耦相位补偿的方法减少噪声带 宽， 其电路原理如图4所示。
(2)
图2 电路噪声模型
enoe=
1+RfCis 1+RfCss
eni
(3)
CD为光电二极管结电容， RD为光电二极id管结
电 阻 。 Cia为 放 大 器 的 输 入 差 模 电 容 和 输 入 共 模 电
容 。 Cs为 消 除 振 荡 的 反 馈 电 容 ， 典 型 值 为 0.5 pF。 ini为放大器的输入噪声电流源， eni为放大器的输入
除振荡， 又可以较好的满足信号带宽。
(5) 在满足信号带宽的情况下， 应尽量选用带
宽小的运放， 这样更有利于减少噪声。 在选用元
器件时， 要选用低噪声器件。
(6) 光电检测电路必须用金
(下转第32页)
集成电路应用
图4 HFSS仿真结果图
技 术 ，2005.11. [2] 廖承恩.微波技术基础. 北京：国防工业出版社，1995. [3] 李明成，于少军. ANSOFT HFSS在直角弯式射频连接器
设 计 中 的 应 用 .机 电 元 件 ，2007.12. [4] 刘鸿文主编.材料力学.北京：高等教育出版社，1982.
作者简介
苏 太 东 ( 1968- )， 男 ， 安 徽 省 宿 州 人 ， 中 国 电 子 科 技 集团公司第四十研究所高级工程师。
(上接第28页) 属外壳来屏蔽外界电磁干扰， 同时外壳接地， 要 防止电路板上电源线对反馈环路和输入端漏电， 产生噪声或漂移， 输入端引线应采用高绝缘导线， 如果需要， 可以将放大器装配在绝缘子上， 要严 格连接， 避免电缆振动， 并尽可能缩短输入连接 线路， 反馈电阻不能太大， 避免干扰， 线路板上 的布线要合理， 必要时可将光电二极管和反馈电 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。 光电二极管输出端到放大器的 引线距离要尽量短， 并且引线尽量对称， 保证阻 抗基本匹配. 放大器输入输出应避免交叉布线， 防 止相互耦合。
Abstract: Analysis of the weak light signal amplifying circuit of the basic working principle，the photoelectric detection for weak signal amplifying the signal -to -noise ratio and the stability problem，the design of a low noise photoelectric signal amplifying circuit，and gives the circuit parameter selection method. Keywords: photoelectric detection; photoelectric diode; amplifying circuit; noise model
(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。
5 结束语
光电二极管放大电路的设计是一件很繁琐的 工作， 虽然实现它的电路看起来很简单， 但由于 复杂的噪声表现形式， 信号本身微弱， 要设计一 个完善的低噪声放大电路有一定难度。 本文给出
32
了该电路设计的一般原则， 分析了该电路的主要 噪声特性， 并最终给出优化电路及元件的参数表 达式， 经实验验证， 取得良好效果， 适用于微弱 光信号的检测。
图4 相位补偿电路
电路在放大器的输出和探测电路的输出之间
加了一个RC低通滤波电路， 滤掉经过放大的噪声
源自文库
和放大器本身的噪声。 电容CC用来补偿RC滤波电路
带来的相位滞后。 电容Cs用来补偿因光电二极管结
电 容CD引 起 的 相 位 滞 后 ， 抑 制 噪 声 增 益 峰 值 。 一
般使Rc≈Ro， Ro是放大器的等效输出电阻， 一般根
(3) 反馈电阻Rf在满足信号带宽的前提下应尽
量大， 这样有利于提高信噪比。 但同时要注意到，
放 大 器 的 偏 置 电 流IB-会 在 反 馈 电 阻 上 产 生 失 调 电 压， 因而Rf也不能太大。
(4) 一般需在反馈电阻上并联小电容Cs， 其取
值范围通常为0～0.5 pF。 这样既可以降低噪声和消
而RD一 般 情 况 下 都 做 的 非 常 大 ， 有 几 百 兆 欧 ， 故
可将其对噪声的影响忽略。
(2) 光电二极管应采取零偏压工作方式， 这样
可减少光电二极管的暗电流， 提高检测精度。 但
同 时 ， 我 们 要 注 意 ， 零 偏 压 时 ， CD比 反 偏 压 工 作
状态下大几十倍， 这又会增加电路噪声。
2 电路噪声分析
作为光电二极管放大器， I/V转换器有一个很
复 杂 的 噪 声 表 现 [2]。 基 本 噪 声 元 件 来 自 于 反 馈 电
阻、 放大器的输入噪声电流和放大器的输入噪声
电压。 其噪声模型如图2所示。
其中：
Eo=IpRf+eno
(1)
eno= 姨(enoR) 2+ (enoi) 2+ (enoe) 2
据经验取值，
通 常 认 为 Ro≈50 Ω，
CL =
Rf Ro+Rc
Cs，
CC=
Rf Rf+Rc
Cs≈Cs。
调 整 Cc的 值 可 以 去 除 振 荡 。
这种
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图5 优化后的电路幅频特性
4 低噪声光电二极管放大电路的设计原则
通过以上的分析， 总结出低噪声光电二极管
放大电路设计原则如下：
(1) 光电二极管的结电容CD应尽量小， 而结电 阻 RD应 尽 量 大 。 其 中 CD对 噪 声 有 着 重 要 的 影 响 。
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
图3 放大器的幅频特性
在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数 为1+Rf/RD， 由于Rf<<1， 因此开始此阶段近似等于 1， 随 着 频 率 的 增 加 ( 转 折 频 率 为 fzf=1/[ 2πRf ( ci+ cs)])， 噪 声 增 益 曲 线 首 先 由 于CD的 作 用 开 始 升 高 ， 直至由于电容Cs的作用而停止； 在高频段， 噪声增 益被限定在1+Ci/Cs (Ci=CD+Cia)， 由于Cia比较小， 一
噪 声 电 压 源 ， enR为 反 馈 电 阻 产 生 的 热 噪 声 源 。 其
中由电阻产生的热噪声enoR= 姨4KTRf ， K=13.8×10-19 J/巯， T为开尔文温度， K为玻耳兹曼常数， 由偏置
电 流 产 的 失 调 噪 声 为enoi=Rf 姨2qIB- ， q为 电 子 点 电 荷q=1.6×10-19 C， IB-为 偏 置 电 流 。 以 上 两 种 噪 声 不 受放大器工作频率影响。 而噪声源eni产生的噪声电 压enoe则 受 放 大 器 工 作 频 率 影 响 ， 其 增 益 与 信 号 增 益的幅频特性如图3所示。
Weak optical signal of the photoelectric detection circuit design
LI Peng，ZHU Lian-qing，CHEN Qing-shan，ZHOU Wei-hu，HAN Xiao-quan
（1. Beijing Information Science and Technology University College of Optoelectronic Engineering， Beijing 100085
收 稿 日 期 ：2012-04-24 * 基金项目：省部级以上基金资助项目(必须要有编号)
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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。
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集成电路应用
般 近 视 认 为Ci≈CD。 由 此 可 见 ， RD越 大 ， CD越 小 ， 对噪声的影响越小， 而加入Cs可限制高频段的噪声 增 益 。 从 图 中 还 可 知 ， 信 号 带 宽 为 fpf=1/(2πRfCS) ， 可知， Rf阻值太大的话， 会严重影响信号带宽。 因 此， 选择Rf时， 要同时考虑电路闭环增益和信号带 宽， 从中选择一个合理的阻值。
1 基本电路
光 电 二 极 管 作 为 光 探 测 器 有 两 种 应 用 模 式 [1] 如图1所示。
集成电路应用
(a) 光伏模式
(b) 光导模式
图1 光电二极管的两种基本放大电路
(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。
doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2012.07.008
集成电路应用
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
李 鹏1， 祝连庆1， 陈青山1， 周维虎2， 韩晓泉2 （1. 北京信息科技大学光电工程学院， 北京 100085
2. 中国科学院光电研究院， 北京 100094）
摘 要： 分析了微弱光信号放大电路的基本工作原理， 针对光电探测中对微弱信号放大带来 的信噪比和稳定性问题， 设计了一种低噪声光电信号放大电路， 并给出了电路参数选择方法。 关键词： 光电探测； 光电二极管； 放大电路； 噪声模型
参考文献
[1] 李远明，陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计[J].武汉 理 工 大 学 学 报 ，2006，11(11)：114-114.
[2] Photodiode Monitoring With Op Amps [R].BB Application Bulletin in USA.January，1995.
情况下的噪声频谱图如图5所示， 阴影部分为滤除 的噪声。 增加CL的值， 将使得AOL′往左移， 减少更 多的噪声， 但要注意不要影响信号带宽。
3 优化电路设计
经光电二极管转换的电信号通常都很微弱， 很容易受外界噪声的干扰。 因此放大电路中对噪 声的抑制变得极关重要。 从图3可以看出， 减少噪 声有两种措施， 一种是减少噪声增益。 在反馈电 阻Rf上并联一个电容Cf [3]， 使得噪声增益变为1+Ci/ (Cs+Cf)。 实验验证， 加上Cf并没有使电路的总输出 噪声减少很多， 只是有所减少。 另外一种更为有 效的抑制噪声的方法是限制噪声带宽[4]。 抑制噪声 带宽有两种措施， 一是减少放大器的开环增益带 宽。 理想情况是使放大器的开环增益减少到信号 带宽的截止点， 不过这对放大器的选择变得非常 有限。 二是通过退耦相位补偿的方法减少噪声带 宽， 其电路原理如图4所示。
(2)
图2 电路噪声模型
enoe=
1+RfCis 1+RfCss
eni
(3)
CD为光电二极管结电容， RD为光电二极id管结
电 阻 。 Cia为 放 大 器 的 输 入 差 模 电 容 和 输 入 共 模 电
容 。 Cs为 消 除 振 荡 的 反 馈 电 容 ， 典 型 值 为 0.5 pF。 ini为放大器的输入噪声电流源， eni为放大器的输入
除振荡， 又可以较好的满足信号带宽。
(5) 在满足信号带宽的情况下， 应尽量选用带
宽小的运放， 这样更有利于减少噪声。 在选用元
器件时， 要选用低噪声器件。
(6) 光电检测电路必须用金
(下转第32页)
集成电路应用
图4 HFSS仿真结果图
技 术 ，2005.11. [2] 廖承恩.微波技术基础. 北京：国防工业出版社，1995. [3] 李明成，于少军. ANSOFT HFSS在直角弯式射频连接器
设 计 中 的 应 用 .机 电 元 件 ，2007.12. [4] 刘鸿文主编.材料力学.北京：高等教育出版社，1982.
作者简介
苏 太 东 ( 1968- )， 男 ， 安 徽 省 宿 州 人 ， 中 国 电 子 科 技 集团公司第四十研究所高级工程师。
(上接第28页) 属外壳来屏蔽外界电磁干扰， 同时外壳接地， 要 防止电路板上电源线对反馈环路和输入端漏电， 产生噪声或漂移， 输入端引线应采用高绝缘导线， 如果需要， 可以将放大器装配在绝缘子上， 要严 格连接， 避免电缆振动， 并尽可能缩短输入连接 线路， 反馈电阻不能太大， 避免干扰， 线路板上 的布线要合理， 必要时可将光电二极管和反馈电 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。 光电二极管输出端到放大器的 引线距离要尽量短， 并且引线尽量对称， 保证阻 抗基本匹配. 放大器输入输出应避免交叉布线， 防 止相互耦合。