胡曉東

摘 要：為了更好地利用光電探測器對弱光信號進行檢測，從而使得弱光信號轉(zhuǎn)換成為電信號，并對這種電信號進行有效的運用，那么在設(shè)計其前置放大電路時就一定要對光伏探測器、光電導(dǎo)器件等進行有效的研究，結(jié)合不同探測器的特點以及探測光信號的頻率特性來選擇放大電路，從而使得光電探測器的前置電路的性能達到最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計與研究；前置放大；光電探測器

中圖分類號：TN15 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0085-01

光電探測器將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成為電流信號，然后再經(jīng)過放大電路將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，由于電流信號比較微弱，只有經(jīng)過有效的放大之后才能夠?qū)ζ溆涗浵聛?，前置放大電路就可以實現(xiàn)這一功能，但是如果前置電路設(shè)計的不合理將會對摻雜進來的噪聲信號等進行放大，從而影響了電流的質(zhì)量，因此本文就光電探測器前置放大電路的設(shè)計與研究具有重要意義。

1 光電探測器的工作條件

（1）說明偏置情況。光電探測器基本上都需要在某種形式的偏置條件下工作。比如光電磁探測器的偏置是磁場，而電阻測輻射熱氣以及光電導(dǎo)探測器則需要直流偏置電源。探測器的噪聲與信號通常和偏置的情況有關(guān)系，所以一定要注明偏置情況。（2）光敏面面積。光敏面的尺寸面積也影響探測器的噪聲與信號，通常情況下，光敏面的面積與探測器的信號噪聲成一定比例。（3）工作溫度。大部分探測器，工作溫度都會影響到其噪聲與信號，其中由半導(dǎo)體材料制成的探測器最為明顯。因此，一定要明確探測器的工作溫度。常用的工作溫度有：液氫溫度（22.4K）、液氯溫度（4.2K）、液氮溫度（77K）等。（4）電路的寬帶與通頻帶。由于噪聲的影響使得探測器失去了極限性能，噪聲的電流與電壓都與寬帶的平方根成正比例，因此在對探測器的性能進行描述的時候，一定要確定電路的帶寬與通頻帶。（5）輻射源的光譜分布。大部分光電探測器的響應(yīng)信號都與輻射源的波長有關(guān)系，他們都是對特定范圍內(nèi)輻射波長信號有響應(yīng)，其中光子探測器表現(xiàn)最為突出。對于依賴于信號輻射波長的光譜響應(yīng)特點，決定了探測器對探測目標進行探測的有效程度。因此在確立探測器的性能的時候，需要明確需要測定的輻射源的光譜分布。如果輻射源屬于黑體，那么就要明確黑體的溫度，如果輻射源屬于單色輻射，那就就要明確單色波源的波長；如果對輻射進行調(diào)制，那么就要給出調(diào)制的頻率。

2 三種探測器前置放大電路的設(shè)計

2.1 光電倍增管前置放大電路的設(shè)計

PMT即光電倍增管，它的工作流程為：當光陰極受到光源照射的時候，就會向真空當中發(fā)射出光電子，射出的光電子在聚焦極電場的作用下運動到倍增系統(tǒng)當中，經(jīng)過二次發(fā)射以后倍增明顯增大，增大后的電子受電場力的作用運到到陽極，陽極收集電子作為信號輸出。由于光電倍增管是被加上高電壓的電子管，如果有高壓輸出，那么很容易出現(xiàn)問題，因此為了保證簽字放大器工作的安全，需要設(shè)計具有保護效果的晶體管與電阻，形成保護回路[1]。

2.2 硅光電池前置放大電路設(shè)計

（1）光電池以開路形式輸出電路。硅與硒這兩種光電池最大的輸出電壓都不會比0.6V高，并且它們輸出的電壓與光照之間的線性關(guān)系也不明顯。在想獲得高輸出電壓但是對線性關(guān)系沒有較高要求時，便可利用高輸入阻抗的前放，此時的光電池就接近于開路。第一級由VT1與VT2組成，VT1與VT2都是低輸入阻抗的場效應(yīng)管，將VT2與源級跟隨器相連接，在恒流的環(huán)境下工作，不僅提高了電路的線性而且還增強了輸入阻抗，最大可達到109歐。（2）光電池以電流形式輸出的電路。如果在進行光電檢測的時候?qū)€性關(guān)系要求比較高，那么應(yīng)該利用低輸入阻抗的電路來實現(xiàn)放大的工。與光電倍增管當中經(jīng)常使用的電流-電壓變換器相類似的電路形式，放大器的輸入電阻與光電池的內(nèi)阻比起來，就相當于短路，經(jīng)過放大之后，其線性關(guān)系將會有很好地改良。

2.3 PIN光電二極管前置放大電路設(shè)計

這類二極管的在工作原理上與普通的二極管差不多，都是在PN結(jié)光電效應(yīng)的基礎(chǔ)上工作的。不同的地方是在結(jié)構(gòu)上，其中有一層比較厚的本證半導(dǎo)體摻雜在N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體當中。這樣使得長波的靈敏度以及量子效率都有了很大的提高，除此之外由于I層比較厚的特點，在進行反偏下工作的時候它可以承受比較高的反向偏壓，從而拓寬了線性輸出范圍。所以，根據(jù)PIN光電二極管的長波響應(yīng)率大、靈敏度高、響應(yīng)速度快的特點，可以選擇兩種類型的放大電路，分別是：高速響應(yīng)放大電路與電流放大型I-V轉(zhuǎn)換電路[2]。

3 影響前置放大電路精度的幾個因素

（1）工作環(huán)境。光電探測器前置放大電路在實際的工作過程時，應(yīng)該將其放在接地屏蔽盒中，以免有外界的電磁對其進行干擾。（2）布局布線。在設(shè)計電路的時候為了確保為后級能夠提供穩(wěn)定可靠的信號，必須要嚴格按照信號的流程進行布局，不可出現(xiàn)前、后級的線串繞的情況，以免有大小信號偶合的現(xiàn)象。（3）溫度補償。通常情況下光電探測器都要設(shè)置溫度補償電路，尤其是雪崩光電二極管最為突出。必要的時候在前置放大電路當中也應(yīng)設(shè)計溫度補償電路。

4 結(jié)語

通過對光電探測器前置放大電路的設(shè)計與研究，得知設(shè)計的前置放大電路應(yīng)該具備低輸入阻抗、高增益等性能特點，并且設(shè)計時還應(yīng)該考慮到運算放大器的帶寬、環(huán)境因素等對前置放大電路的影響，這樣才可使得所設(shè)計的前置放大電路的功能性質(zhì)能夠達到最佳狀態(tài)。

參考文獻

[1]趙遠，張宇.光電信號檢測原理與技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2]高科，孫晶華.光電探測器前置放大電路研究[J].哈爾濱工程大學理學院，2011（18）：45-88.