羅志祥，張 俊，柯昌劍，劉德明(華中科技大學下一代互聯(lián)網接入系統(tǒng)國家工程實驗室 武漢 430074)

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利用三極管對高速大動態(tài)光電轉換系統(tǒng)降噪分析

羅志祥，張 俊，柯昌劍，劉德明
(華中科技大學下一代互聯(lián)網接入系統(tǒng)國家工程實驗室 武漢 430074)

【摘要】在高速大動態(tài)光電轉換系統(tǒng)中，高速開關在切換通道時產生的脈沖噪聲使高速運放芯片的瞬態(tài)響應出現(xiàn)邊沿脈沖，對高速光電轉換電路的測量產生不可忽視的干擾。該文理論分析了光電二極管的等效電路中潛在的分流通路，通過實驗分析了三極管射極和集電極間電阻特性與基極電壓的關系，理論闡述采用在切換通道并聯(lián)三極管利用其泄流原理對高速開關產生的脈沖噪聲進行抑制的方案，并對比分析加三極管泄流和不加三極泄流的實驗仿真結果，驗證了并聯(lián)三極管泄流的方案具有明顯的降噪效果。

關 鍵 詞高速光譜探測; 高速開關; 脈沖噪聲; 大動態(tài)光電轉換; 三極管泄流

Analysis of Noise Reduction in High-Speed Large Dynamic Photoelectric Conversion System by Triode

LUO Zhi-xiang, ZHANG Jun, KE Chang-jian, and LIU De-ming
(National Engineering Laboratory for next generation Internet Access System, Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074)

Abstract In high-speed and large dynamic photo-translating systems, the impulse noises generated by switching channel makes the edge pulses appear at the transient response of high-speed operational amplifiers in high-speed circuits. This paper analyzes the potential shunt circuits in the equivalent circuit of photodiode, experimentally studies the relationships between resistance characteristic and bias voltage of audion emitter and collector, and elaborates a project that controls the impulse noises produced by high-speed switch via aerial drainage theory of parallel connection of audion in switching channels. Finally, the simulation results of aerial drainage with and without an audion are compared. It is shows that the project of aerial drainage with parallel connection of audion can achieve a significant effect in reducing noises.

Key words high-speed spectrometer testing; high-speed switch; impulse noise; large dynamic photoelectric; triode discharge

通信系統(tǒng)逐漸采用光纖傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)技術，光纖通信的進步要求配套的測量技術和測量儀器不斷進步。在科研和生產過程中為了探測和采集更高頻率的目標光電信號，對光電探測器的性能和數據采集速率的要求越來越高[1-2]。

傳統(tǒng)光電探測器的光電轉換系統(tǒng)很難在保持高速的同時實現(xiàn)大的動態(tài)范圍[3-5]，在高速大動態(tài)光電轉換的實際應用中，通常采用自動量程切換的設計方案。量程切換的核心思想是利用高速開關切換通道改變反饋阻值的大小，從而改變運放的放大倍數。然而，高速開關在切換通道時產生的脈沖噪聲對于高速信號是不可忽視的噪聲干擾[6]。該噪聲會使高速運放進入飽和區(qū)，延遲響應時間，使光電轉換系統(tǒng)速率降低[6-8]。

本文選擇在切換通道旁并聯(lián)三極管作為泄流管來有效抑制噪聲，通過分析其中的原理和實驗仿真得以驗證。

1 系統(tǒng)構成

三極管作高速開關泄流管的電路結構如圖1所示，主要由以下6個部分組成：

1) 光電二極管；

2) 高速運算放大器；

3) 反饋電阻；

4) 濾波電容；

5) 高速開關；

6) NPN型三極管。

圖1　三極管作泄流管的電路結構

2 原理分析

2.1 光電二極管的特性

光電二極管可等效為一個電流源ID、分流電阻和一個結電容CD并聯(lián)[9]，如圖2所示。

圖2　光電二極管等效電路

光電二極管的等效電流源的電流目前有以下3個潛在通路可分流：

1) 運放的跨接電阻RF；

2) 光電二極管的等效分流電阻RD；

3) 運算放大器的內阻ir。

由于ir >>RD>>RF，3個通道都閉合的情況下，大部分電流會從跨接電阻RF上流走，流過光電二極管的等效分流電阻RD的電流很少。所以光電二極管在RD上形成的電壓很小，幾乎為零，作為運算放大器反相輸入端的輸入電壓Vn不會使運放進入飽和區(qū)，而是工作在線性區(qū)[10]。

2.2 三極管的特性

三極管基極有正向電壓時，射極與基極間形成正向壓降，集電極與基極間形成反向壓降，滿足三極管的放大狀態(tài)要求[11-12]。射極到集電極通路的等效電阻可通過實驗得出，其結果如表1所示。由實驗數據可知，影響三極管射極與集電極間電阻特性主要是基極電壓?；鶚O電壓達到0.5 V(電阻為3.0×106Ω)以上，可視為遠小于光電二極管漏電阻RD。

表1　不同基極電壓下三極管集電極與射極間電阻特性(集電極電壓VC=12 V，射極電壓VE=0 V)

2.3 三極管的泄流作用

高速開關在工作時，總有一路處于選通狀態(tài)，但是開關切換通道的瞬間，還是有斷開的過程。

開關閉合時，電路中的電流回路如圖3中空心箭頭所示，在運算放大器反相輸入端產生接近于0的電壓；開關斷開后，跨接電阻通道斷開的電流回路如圖3中黑箭頭所示。

光電二極管產生的電流Id大部分流向光電二極管的等效分流電阻RD，在RD上形成的電壓很大，作為運算放大器反相輸入端的輸入電壓Vn，使運算放大器進入深度飽和區(qū)，影響信號的響應速率。

小信號的瞬態(tài)響應在上升沿和下降沿都會有脈沖。對于低速電路，由于瞬態(tài)響應時間比較長，脈沖時間只占瞬態(tài)響應過程的小部分，幾乎不會影響后續(xù)數據采集電路的采樣精度。而高速運算放大器轉換速率很高，瞬態(tài)響應時間很短暫，都使瞬態(tài)響應出現(xiàn)的邊沿脈沖在整個響應過程中不能忽略。加上過載恢復時間的作用，邊沿脈沖占的比例還會更大，使得高速電路出現(xiàn)脈沖噪聲的干擾。

在開關旁并聯(lián)三極管，開關斷開后，電路中的電流回路如圖4中實心箭頭所示。三極管基極電壓由運算放大器輸出端提供，發(fā)射極正偏，集電極反偏。三極管集電極到射極通路阻抗遠小于光電二極管等效電阻RD，光電探測器產生的大部分電流可以通過三極管射極與集電極的通路流走，只有很少一部分電流流過RD。運算放大器反相輸入端的電壓Vn幾乎為零，運算放大器不會進入飽和區(qū)。

圖3　不加三極管的放大電路

圖4　加三極管的放大電路

被選通的三極管基極電壓由運算放大器輸出端提供，可進入泄流模式；未被選通的三極管基極處于懸空狀態(tài)，三極管無法導通；高速開關閉合后，三極管基極與發(fā)射極接在同一端，三極管無法導通。

綜上所述，三極管的泄流作用運用了三極管的電阻特性。開關斷開時，三極管相當于通路，將光電二極管的電流導出，使運算放大器輸入端電壓穩(wěn)定在很小值；開關閉合后，三極管又相當于開路，不影響電路的輸出。

3 仿真結果分析

3.1 不加三極管脈沖效果分析

用壓控開關模擬高速開關的斷開和閉合，給壓控開關加2 ms的方波電壓，則開關的斷開與閉合的周期為2 ms。輸入電壓與輸出電壓仿真結果如圖5所示。通道A和通道B分別測量輸入和輸出電壓。由標線T1(粗實線)知，開關閉合時，輸入電壓為1.654 mV，輸出電壓為?101.670 mV，運算放大器工作在線性區(qū)；由標線T2(粗虛線)可知，開關斷開后，輸入電壓上升到?4.820 V，輸出電壓立刻跳變到5.000 V，運算放大器進入飽和區(qū)。

由運算放大器從飽和區(qū)回到線性區(qū)的下降沿可觀察到抖動，其輸出放大后的細節(jié)如圖6所示。由標線T2-T1可知，開關閉合后，運算放大器輸出電壓從飽和區(qū)值回到有效輸值時間大約為42.992 μs。

3.2 加三極管泄流脈沖效果分析

輸出電壓與輸入電壓仿真結果如圖7所示。對比圖5與圖7可知，加三極管后運算放大器很明顯地穩(wěn)定在了線性區(qū)。由標線T1可知，開關閉合時，輸入電壓為?102.572 μV，輸出電壓為99.897 mV；由標線T2可知，開關斷開后，運算放大器輸入電壓為?104.149 μV，輸出電壓為428.802 mV，由于三極管的影響使得運放在開關斷開后的輸出電壓大于開關閉合時的輸出電壓，但遠小于飽和電壓5 V，運放穩(wěn)定在線性區(qū)。運算放大器輸入電壓幾乎為零，而且穩(wěn)定效果很好，只有在開關閉合瞬間有極窄抖動，對其輸出影響不大。

圖5　輸入電壓與輸出電壓仿真結果(不加三極管)

圖6　放大器輸出端細節(jié)(不加三極管)

圖7　輸入電壓與輸出電壓仿真結果(加三極管)

圖8　放大器輸出端細節(jié)(加三極管)

在開關閉合瞬間，運算放大器輸出端電壓細節(jié)如圖8所示。由標線T1-T2可知，加三極管后運算放大器由于沒有進入飽和區(qū)，輸出下降到有效電壓值的時間大約為386.364 ns。相比圖6與圖8，可明顯發(fā)現(xiàn)時間縮短了2個數量級。

4 結 束 語

三極管的泄流作用對于高速開關切換通道產生的脈沖噪聲有極好的抑制效果，有效縮短了輸出信號下降沿的恢復時間，使信號能夠在高速大動態(tài)的情況下保持穩(wěn)定有效的輸出。

參 考 文 獻

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編 輯 漆 蓉

作者簡介：羅志祥(1972 ? )，男，博士，副教授，主要從事光通信與光網絡方面的研究.

基金項目：國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2013YQ16048703)

收稿日期：2014 ? 11 ? 24；修回日期： 2015 ? 05 ? 18

中圖分類號TN710

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2016.01.025