孫茜怡++關(guān)鈺

摘 要：以GaN光伏型紫外探測器輸出的微弱電流信號為根據(jù)對探測器的前置放大電路進行設(shè)計，首先運用標(biāo)準(zhǔn)的電路理論建立了等效噪聲模型，分析計算了電路中各個噪聲源引起的噪聲，導(dǎo)出了光電檢測電路的信噪比輸出公式，對影響光電檢測電路輸出信噪比的因素進行了詳細(xì)的分析與研究；同時還給出了跨組放大器帶寬與穩(wěn)定性之間的關(guān)系，最后用multisim10軟件的仿真印證了分析和設(shè)計的正確性。

關(guān)鍵詞：紫外探測器；前置放大器；噪聲；穩(wěn)定性

中圖分類號：TN72 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0011-03

引言

空空導(dǎo)彈系統(tǒng)中多為紅外制導(dǎo)和雷達制導(dǎo)。隨著干擾手段的發(fā)展，單一的探測手段已經(jīng)不能滿足抗干擾的需求。于是，出現(xiàn)了雙色探測器等多探測體制，如紫外/紅外、紫外/激光、紅外/激光等多種復(fù)合探測體制。繼紅外探測技術(shù)之后紫外探測技術(shù)成為又一重要的軍民兩用光電探測技術(shù)。相較于紅外探測系統(tǒng)，紫外探測技術(shù)因其獨有優(yōu)勢，受到了軍方的關(guān)注。

正是因為軍方的重視和紫外探測技術(shù)的獨特性，本文開展紫外信號檢測放大技術(shù)的研究，以此來確定一種更適合紫外信號的前放電路結(jié)構(gòu)，并對它的噪聲特性及抑制方法進行分析和驗證。

1 紫外探測器

紫外探測器件主要分為點探測器和像探測器。半導(dǎo)體紫外探測器件因其體積小、過載高在軍事中應(yīng)用較多。本系統(tǒng)中采用GaN基紫外探測器，光譜響應(yīng)區(qū)間在260～380nm，峰值響應(yīng)波長為365nm。

在探測器應(yīng)用中多采用PIN結(jié)構(gòu)[2]，I層會加大耗盡層厚度。I層有更高的電阻相對于PN層，這里的反向偏壓形成高電場區(qū)，加寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，使暗電流有所降低，提高了靈敏度，探測器的電容也有減小。

紫外探測多采取直接探測，所以在光信號功率小時，電信號輸出相應(yīng)也較小。一般在實際探測器的應(yīng)用中，為了方便后續(xù)處理，通常使用前置放大電路將信號放大。紫外探測器中就要設(shè)計合理的前置放大電路，以保證探測系統(tǒng)能夠在一定的輸出信噪比下工作。

2 前置放大電路

微弱光電信號前置放大器，信號小，輸入信噪比低，在空空導(dǎo)彈系統(tǒng)等軍用系統(tǒng)中多有專門的低噪聲放大器。

而在低噪聲放大器的設(shè)計中，噪聲水平、放大器的增益和放大器的帶寬通常要依據(jù)其中的帶寬綜合考慮。

2.1 光電二極管的等效電路模型

紫外探測為直接探測方式。光信號功率小，紫外探測器的電信號輸出也相應(yīng)較小，在本設(shè)計中所采用的探測器芯片的響應(yīng)較小，ID約為5nA左右，零偏阻抗100MΩ，結(jié)電容CJ≈50pf，等效電路[4]如圖1所示。

它包含一個被輻射光激發(fā)的電流源，一個理想的二極管，結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。IL為二極管的漏電流，ISC為二極管光電流，Rpo為寄生電阻，ePD為噪聲源，結(jié)電容大致為20pf。

在本文的應(yīng)用中，紫外探測器芯片工作在零偏置即光伏模式下。

在此模式下探測器芯片作為光電二級管可以非常精確的線性工作。零偏置條件下，無暗電流，二極管噪聲等同分電路電阻的熱噪聲；反偏置條件下，則有暗電流產(chǎn)生附加噪聲源。本文就要對這種光伏模式進行最優(yōu)化設(shè)計。

2.2 光電檢測電路設(shè)計

由于探測器工作狀態(tài)時產(chǎn)生的是電流信號，在后續(xù)使用中要將它轉(zhuǎn)換為電壓信號，主放大器的作用就是對光電流進行I-V轉(zhuǎn)換，并放大到所需要的值。

2.2.1 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路分析和設(shè)計

本文所采用的光電轉(zhuǎn)換電路為高靈敏度的電流-電壓轉(zhuǎn)換器，二極管偏執(zhí)由運算放大器的虛地維持在零電壓，短路電流即被轉(zhuǎn)換為電壓。電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

由于在最高靈敏度時該放大電路[5]必須能檢測1nA的二極管電流，采用普通結(jié)構(gòu)的電流電壓轉(zhuǎn)換器會使反饋電阻非常大，例如對于1nA的二極管電流，要求輸出0.1V的電壓，則需要100MΩ的偏置電阻，而電阻是對總輸出噪聲影響最大的因素之一。這對系統(tǒng)噪聲的影響是不可想象的。

該主放大器的輸出VO=-k1Rfid

k1=1+R1/R2+R1/Rf

可見這個電路是靠倍乘因子k來增加R的，于是我們基于一個合理的R值，依靠倍乘因子k來提高靈敏度。

針對本電路為了實現(xiàn)0.1nV/nA的靈敏度，由式可知k1Rf=0.1/10-9=100M？贅，這是一個相當(dāng)大的值，為了不至產(chǎn)生太大噪聲，由Rf=1M？贅出發(fā)，然后乘以100以滿足技術(shù)指標(biāo)，因此，1+R1/R2+R1/106=100。在采用R2=1k？贅時，可得R1≈99k？贅（用最接近標(biāo)準(zhǔn)值的100kΩ）

2.2.2 前置放大電路的噪聲分析

外部噪聲（系統(tǒng)的外界干擾）和內(nèi)部噪聲（光電系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲，是光電檢測器件和檢測電路的器件固有噪聲）為光電檢測電路的主要噪聲來源。

外部噪聲要通過外部手段控制，本文中我們主要研究通過選擇電路元件和合理的電路設(shè)計來減小內(nèi)部噪聲，提高系統(tǒng)的檢測精度。

光電二極管、前置放大電路構(gòu)成了光電檢測電路，它的噪聲模型如圖3所示：

Isc：光電二極管的光電流；Ins：光電二極管的散粒噪聲電流；Ind：光電二極管內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲電流；Cd：光電二極管的結(jié)電容；En、In：放大器的等效輸入噪聲電壓和等效輸入噪聲；Unf：反饋電阻Rf和R1產(chǎn)生的熱噪聲電壓。其中：

I2ns=2eIsc△f，△f為電路的通頻帶；

I2nd=4kT△f/Rd

U2nf=4kTRf△f

由此：

由上面的公式[6]得出，反饋電阻Rf和R1和輸出信噪比成正比。要想提高輸出信噪比和信號增益，需要提高Rf和R1的阻值。所以我們可以選擇阻值大、噪音小的金屬膜電阻。

此外，輸出信號電壓幅度的也限制Rf和R1的選擇，還應(yīng)根據(jù)光電流的最大值來確定Rf的大小。

電路的通頻帶△f和輸出信噪比成反比。電容Cs與Rf并聯(lián)就是為減小電路的通頻帶。它們構(gòu)成一個高頻截止頻率為1/2？仔RfCs的濾波電路。直流和低頻，信號增益不變；頻率超過1/2？仔RfCs時，信號增益下降信號幅度線性失真，因此電路的通頻帶△f=1/2？仔RfCs。

Rf和Cs和通頻帶也成反比。如果電路的通頻帶太小會造成輸出信號頻率失真；如果Cs太大，系統(tǒng)響應(yīng)會變慢；Cs也有消除自激震蕩的作用。

2.2.3 集成運算放大器的選用

考慮集成運放的等效輸入噪聲電壓En和等效輸入噪聲電流In，同輸出信噪比成反比。故應(yīng)選用En和In小的低噪聲和低偏置電流的集成運算放大器。

場效應(yīng)管為輸入級的運放具有開環(huán)輸入阻抗高、輸入偏置電流小和不隨溫度變化的優(yōu)點，適合選用。同時，提高開環(huán)放大倍數(shù)，使光電二極管在無偏壓狀態(tài)工作；其次，選用的集成運放的失調(diào)電壓和電流應(yīng)較小。

由于要精確測量納安級的光電流，運算放大器的偏執(zhí)電流不應(yīng)該大于數(shù)納安，并且放大器本身引入的噪聲要非常小，這就大大縮小了選擇的余地。

我們最終采用了噪聲低，精密，輸入為FET的AD795k型運算放大器。它具有兩種優(yōu)勢：（1）雙極型輸入運算放大器的低電壓噪聲和低失調(diào)漂移；（2）FET輸入器件的極低偏置電流。

其性能參數(shù)為：

失調(diào)電壓：在25°C時，最大為250uv，

失調(diào)電壓漂移：最大為3uV/°C

輸入偏置電流：在25°C時，最大為1PA

0.1～10HZ 電壓噪聲2.5uVp-p

1/f轉(zhuǎn)折頻率12Hz

電壓噪聲：在100Hz處為10nV/√Hz

電流噪聲：在100Hz處為0.6fA/√Hz

在±15V時的功耗為40mW

增益帶寬乘積1MHz

2.2.4 前置放大器穩(wěn)定性分析

考慮光電二極管小信號模型后，完整的前置放大電路如圖4：

該系統(tǒng)的傳輸函數(shù)[7]為：

其中，Aol（j？棕）為放大器開環(huán)環(huán)路增益；？茁為反饋系數(shù)，即1/（1+Zf/Zin）；Zin為分布式輸入阻抗

展開后可得：

式中

由于Rd遠大于Rf，故fz

圖中顯示了Aol（j？棕）曲線與1/？茁曲線在fx處相交，且在交點處|Aol？茁|=1。放大器需在工作中不振蕩、穩(wěn)定。工程應(yīng)用上，要求相位裕度？準(zhǔn)m>>4/？仔，當(dāng)？準(zhǔn)m=4/？仔時，fp=fx。放大器在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，要得到最大帶寬，可令：

式中：可以求得GBW為運放的增益帶寬積。最終可求得：

對于更大的相位裕度，這個電容值還會增大，但也會降低I-V轉(zhuǎn)換器的帶寬。

3 電路仿真計算

利用multisim10 軟件[8]對圖5所示電路進行仿真分析。

交流仿真結(jié)果如圖6所示。

噪聲分析如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文推出了光電檢測電路信噪比的公式，并對光電轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性進行了詳細(xì)的研究，總結(jié)了設(shè)計低噪聲光電檢測電路的方法。

某預(yù)研項目中，根據(jù)本文討論的方法設(shè)計的前置放大器已有應(yīng)用，我們可以看到實際測試結(jié)果達到了預(yù)期效果，所以此設(shè)計方案可行。不足之處在于，本設(shè)計中印刷板本身帶來的寄生電容問題。這就要求我們必須小心布線以控制寄生電容；另外，可在輸出端增加濾波器，以減小系統(tǒng)噪聲。

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