管敏杰， 趙冬娥

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原 030051）

0 引言

噪聲普遍存在于電子測(cè)試系統(tǒng)中，它的來(lái)源是多方面的，有熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲和1/f噪聲等由探測(cè)器引起的噪聲，有信號(hào)輻射和環(huán)境光引起的光子噪聲，也有電路設(shè)計(jì)引入的系統(tǒng)噪聲。在對(duì)微弱信號(hào)的測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)的微弱信號(hào)常常被埋沒(méi)在各種各樣的噪聲中，把信號(hào)和噪聲分離及提取，是保證測(cè)量結(jié)果正確的關(guān)鍵。光電轉(zhuǎn)換電路作為微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的入口，對(duì)其進(jìn)行減噪處理就顯得尤為重要，它將直接影響到后續(xù)電路的信號(hào)處理及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1 光電轉(zhuǎn)換電路原理

本文研究的是基于PIN型光敏管的光電轉(zhuǎn)換電路，其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。圖1中，PIN型光敏二極管受到光信號(hào)的照射，產(chǎn)生光電流，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷”和“虛短”的特性[1]，光電流只是流入了反饋回路，并在反饋電阻上產(chǎn)生了壓降，從而將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào)，即完成了光電轉(zhuǎn)換的處理[2]。隨后的電路將對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、增益放大、采集和顯示等一系列處理。

圖1 基于PIN型光敏管的光電轉(zhuǎn)換電路圖

2 光電轉(zhuǎn)換電路中的噪聲

2.1 光電探測(cè)器的噪聲

2.1.1 熱噪聲

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；R為器件電阻值；?f為測(cè)量頻帶寬度。

熱噪聲普遍存在于任何導(dǎo)體與半導(dǎo)體中，它屬于白噪聲。降低溫度和壓縮頻帶寬度能減少噪聲功率。

2.1.2 散粒噪聲

散粒噪聲是由于光電探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或載流子隨機(jī)產(chǎn)生所造成的。由于隨機(jī)起伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的，故稱(chēng)為散粒噪聲，其均方電流為：

式中，e為電子電荷；I為器件輸出平均電流；?f為測(cè)量頻帶寬度。

散粒噪聲存在于所用真空發(fā)射管和半導(dǎo)體器件中，屬于白噪聲。

2.1.3 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲

產(chǎn)生-復(fù)合噪聲又稱(chēng)為g-r噪聲，是由于半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)性而引起的載流子濃度的起伏。其噪聲均方電流是：

式中，I是總的平均電流；M是光電增益；?f是測(cè)量頻帶寬度；ω =2π f （f是系統(tǒng)的工作頻率）；τc為載流子平均壽命。

產(chǎn)生-復(fù)合噪聲不是白噪聲，而是低頻限帶噪聲，是光電探測(cè)器的主要噪聲源。

2.1.4 1/f噪聲

1/f噪聲又稱(chēng)為電流噪聲（閃爍噪聲[4]），它是一種低頻噪聲（1 kHz以下低頻區(qū)），其功率譜近似與頻率成反比。它的電流均方值表示為：

式中，I是器件輸出平均電流；f是工作頻率；α、β和c是常數(shù)。

2.2 運(yùn)算放大器的噪聲

理想的運(yùn)放組件，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，其輸出信號(hào)也為零，但實(shí)際器件中，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的不完全對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致輸出信號(hào)不為零，這就是所謂的失調(diào)現(xiàn)象。運(yùn)算放大器的噪聲主要是它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流引起的電路噪聲。

輸入失調(diào)電壓是使輸出電壓為零時(shí)在輸入端所加的補(bǔ)償電壓[5]；輸入失調(diào)電流是指當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端的偏置電流之差。

3 影響電路噪聲的主要因素

3.1 處理電路的帶寬

在探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲中，1/f噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是屬于低頻區(qū)噪聲，與頻率有關(guān)；而熱噪聲和散粒噪聲是白噪聲，兩者與頻率無(wú)關(guān)，與頻帶的寬度有關(guān)。因此，可以結(jié)合信號(hào)頻譜特性來(lái)合理設(shè)計(jì)高通濾波器，減小噪聲的影響。

3.2 光電二極管的特性

光電二極管影響噪聲的參數(shù)主要是結(jié)電容和并聯(lián)電阻。結(jié)電容主要由兩個(gè)因素影響，一方面是與結(jié)面積成正比（即光電探測(cè)器的面積大?。?，另外一方面是與反偏電壓成反比（即PN結(jié)耗盡層寬度）。結(jié)電容不僅影響噪聲帶寬, 而且影響噪聲的大小，光電二極管的結(jié)電容越小，帶寬越寬，而大的并聯(lián)電阻能減小光電二極管的暗電流。

3.3 光電二極管的工作模式

光電二極管有兩種工作模式，即零偏置模式和反偏置模式[6]。零偏置（光伏模式）其線(xiàn)性度好，沒(méi)有暗電流，噪聲低（主要是元器件的熱噪聲），應(yīng)用于精密測(cè)量；反偏置（光導(dǎo)模式）是非線(xiàn)性工作，有暗電流，噪聲較高（熱噪聲加導(dǎo)電的散粒噪聲），但具有較高的響應(yīng)速度，應(yīng)用于高速測(cè)量。

3.4 集成運(yùn)放的性能

運(yùn)放的失調(diào)電壓、失調(diào)電流、等效輸入噪聲電流和電壓影響著噪聲的大小。

失調(diào)電壓和電流雖然能通過(guò)電路對(duì)其進(jìn)行一定的補(bǔ)償，但其隨溫度的漂移會(huì)在輸入端產(chǎn)生噪聲，因此要選擇具有低的輸入失調(diào)電壓、電流，高的輸入阻抗及高的共模抑制比的運(yùn)放，例如AD8571 的輸入偏執(zhí)電流為20～70 pA,輸入偏執(zhí)電壓為1 μV，共模抑制比達(dá)到120～140 dB，可以滿(mǎn)足I/V轉(zhuǎn)換輸入級(jí)對(duì)運(yùn)放性能的要求[7]。

等效輸入噪聲電流中產(chǎn)生的噪聲電流是總噪聲電流的主要部分，其表達(dá)式[8]是：

從中可見(jiàn)，增加反饋電阻，可以減小輸入噪聲電流；增加反饋電容，可以減小噪聲帶寬，進(jìn)而減少輸出噪聲電壓。

4 減小電路噪聲的措施

1）合理選擇PIN型光電二極管，使得其結(jié)電容和并聯(lián)電阻盡可能大，減小噪聲帶寬。此外，對(duì)于精密測(cè)量，選擇零偏置工作狀態(tài)，減小暗電流噪聲的影響。

2）選用性能好的運(yùn)算放大器（低失調(diào)電壓、電流，高共模抑制比），可選用儀表放大器，例如AD623[9]。此外，電源接入處加旁路電容，減少高頻信號(hào)的干擾。

3）適當(dāng)增加反饋電阻和反饋電容。反饋電阻的增加，既有利于信噪比的改善,也提高了電流、電壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換系數(shù)；反饋電容的增加，可以限制高頻段噪聲的增益，降低噪聲頻帶，同時(shí)能避免電路的自激振蕩，并具有一定的濾波作用。

4）光電二極管補(bǔ)償技術(shù)[10]。利用兩個(gè)光電二級(jí)管，一個(gè)作為主探測(cè)器，另一個(gè)作為補(bǔ)償探測(cè)器，對(duì)環(huán)境光進(jìn)行補(bǔ)償，利用差分對(duì)接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢詼p少一定的環(huán)境光噪聲的干擾。

5）屏蔽外界干擾。由于外界一般都存在電磁波信號(hào)等，因此需要金屬外殼對(duì)電路進(jìn)行屏蔽處理。

5 結(jié)論

在光電轉(zhuǎn)換電路中，一定存在著一些噪聲，如何有效的減少噪聲是提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。噪聲的種類(lèi)多種多樣，所采取的減噪方法也各有不同。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)噪聲各自的特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)測(cè)量的要求，綜合利用各種方法來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)，已達(dá)到最佳減噪效果，確保測(cè)試系統(tǒng)的精度。

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