羅志祥，張 俊，柯昌劍，劉德明(華中科技大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074)

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利用三極管對高速大動態(tài)光電轉(zhuǎn)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(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074)

【摘要】在高速大動態(tài)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，高速開關(guān)在切換通道時(shí)產(chǎn)生的脈沖噪聲使高速運(yùn)放芯片的瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)邊沿脈沖，對高速光電轉(zhuǎn)換電路的測量產(chǎn)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(shí)驗(yàn)分析了三極管射極和集電極間電阻特性與基極電壓的關(guān)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(guān)產(chǎn)生的脈沖噪聲進(jìn)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(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，驗(yàn)證了并聯(lián)三極管泄流的方案具有明顯的降噪效果。

關(guān) 鍵 詞高速光譜探測; 高速開關(guān); 脈沖噪聲; 大動態(tài)光電轉(zhuǎn)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(shù)，光纖通信的進(jìn)步要求配套的測量技術(shù)和測量儀器不斷進(jìn)步。在科研和生產(chǎn)過程中為了探測和采集更高頻率的目標(biāo)光電信號，對光電探測器的性能和數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換系統(tǒng)很難在保持高速的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大的動態(tài)范圍[3-5]，在高速大動態(tài)光電轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用中，通常采用自動量程切換的設(shè)計(jì)方案。量程切換的核心思想是利用高速開關(guān)切換通道改變反饋?zhàn)柚档拇笮?，從而改變運(yùn)放的放大倍數(shù)。然而，高速開關(guān)在切換通道時(shí)產(chǎn)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(yùn)放進(jìn)入飽和區(qū)，延遲響應(yīng)時(shí)間，使光電轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)仿真得以驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

三極管作高速開關(guān)泄流管的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下6個(gè)部分組成：

1) 光電二極管；

2) 高速運(yùn)算放大器；

3) 反饋電阻；

4) 濾波電容；

5) 高速開關(guān)；

6) NPN型三極管。

圖1　三極管作泄流管的電路結(jié)構(gòu)

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(gè)電流源ID、分流電阻和一個(gè)結(jié)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(gè)潛在通路可分流：

1) 運(yùn)放的跨接電阻RF；

2) 光電二極管的等效分流電阻RD；

3) 運(yùn)算放大器的內(nèi)阻ir。

由于ir >>RD>>RF，3個(gè)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(yùn)算放大器反相輸入端的輸入電壓Vn不會使運(yùn)放進(jìn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)得出，其結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dá)到0.5 V(電阻為3.0×106Ω)以上，可視為遠(yuǎn)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(guān)在工作時(shí)，總有一路處于選通狀態(tài)，但是開關(guān)切換通道的瞬間，還是有斷開的過程。

開關(guān)閉合時(shí)，電路中的電流回路如圖3中空心箭頭所示，在運(yùn)算放大器反相輸入端產(chǎn)生接近于0的電壓；開關(guān)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(chǎn)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(yùn)算放大器反相輸入端的輸入電壓Vn，使運(yùn)算放大器進(jìn)入深度飽和區(qū)，影響信號的響應(yīng)速率。

小信號的瞬態(tài)響應(yīng)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(yīng)時(shí)間比較長，脈沖時(shí)間只占瞬態(tài)響應(yīng)過程的小部分，幾乎不會影響后續(xù)數(shù)據(jù)采集電路的采樣精度。而高速運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率很高，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短暫，都使瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)的邊沿脈沖在整個(gè)響應(yīng)過程中不能忽略。加上過載恢復(fù)時(shí)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(guān)旁并聯(lián)三極管，開關(guān)斷開后，電路中的電流回路如圖4中實(shí)心箭頭所示。三極管基極電壓由運(yùn)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(yuǎn)小于光電二極管等效電阻RD，光電探測器產(chǎn)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(yùn)算放大器反相輸入端的電壓Vn幾乎為零，運(yùn)算放大器不會進(jìn)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(yùn)算放大器輸出端提供，可進(jìn)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(dǎo)通；高速開關(guān)閉合后，三極管基極與發(fā)射極接在同一端，三極管無法導(dǎo)通。

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

3 仿真結(jié)果分析

3.1 不加三極管脈沖效果分析

用壓控開關(guān)模擬高速開關(guān)的斷開和閉合，給壓控開關(guān)加2 ms的方波電壓，則開關(guān)的斷開與閉合的周期為2 ms。輸入電壓與輸出電壓仿真結(jié)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(biāo)線T1(粗實(shí)線)知，開關(guān)閉合時(shí)，輸入電壓為1.654 mV，輸出電壓為?101.670 mV，運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)；由標(biāo)線T2(粗虛線)可知，開關(guān)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(yùn)算放大器進(jìn)入飽和區(qū)。

由運(yùn)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(xì)節(jié)如圖6所示。由標(biāo)線T2-T1可知，開關(guān)閉合后，運(yùn)算放大器輸出電壓從飽和區(qū)值回到有效輸值時(shí)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(jié)果如圖7所示。對比圖5與圖7可知，加三極管后運(yùn)算放大器很明顯地穩(wěn)定在了線性區(qū)。由標(biāo)線T1可知，開關(guān)閉合時(shí)，輸入電壓為?102.572 μV，輸出電壓為99.897 mV；由標(biāo)線T2可知，開關(guān)斷開后，運(yùn)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(yùn)放在開關(guān)斷開后的輸出電壓大于開關(guān)閉合時(shí)的輸出電壓，但遠(yuǎn)小于飽和電壓5 V，運(yùn)放穩(wěn)定在線性區(qū)。運(yùn)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(guān)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(jié)果(不加三極管)

圖6　放大器輸出端細(xì)節(jié)(不加三極管)

圖7　輸入電壓與輸出電壓仿真結(jié)果(加三極管)

圖8　放大器輸出端細(xì)節(jié)(加三極管)

在開關(guān)閉合瞬間，運(yùn)算放大器輸出端電壓細(xì)節(jié)如圖8所示。由標(biāo)線T1-T2可知，加三極管后運(yùn)算放大器由于沒有進(jìn)入飽和區(qū)，輸出下降到有效電壓值的時(shí)間大約為386.364 ns。相比圖6與圖8，可明顯發(fā)現(xiàn)時(shí)間縮短了2個(gè)數(shù)量級。

4 結(jié) 束 語

三極管的泄流作用對于高速開關(guān)切換通道產(chǎn)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(fù)時(shí)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(xiàn)

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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(wǎng)絡(luò)方面的研究.

基金項(xiàng)目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ16048703)

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

中圖分類號TN710

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2016.01.025