基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析

基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析

发表时间：2017-03-09T11:18:47.780Z 来源：《电力设备》2017年第1期作者：王风敏

[导读] 在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。

（池州学院安徽池州 247100）

摘要：噪声是目前影响光电检测电路检测性能的重要因素，在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。为此，本文就对基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声进行了分析，首先简单介绍了光电二极管检测电路，然后对基于光电二极管反偏的光电检测电路设计进行了分析，随后探讨了光电检测电路的噪声，最后提出了光电检测电路的总噪声及低噪声的设计原则，旨在为低噪声光电检测电路的设计提供帮助。

关键字：噪声；光电检测电路；光电二极管；反偏

引言

现如今，光电检测技术已经被广泛地应用于诸多领域，从理论的角度分析而言，利用光电检测电路能够将任何存在光辐射信号地方的信号检测出来。然而，在实际检测过程中，经光电二极管转换的光电信号是非常微弱的，经常出现被检测信号被噪声淹没的情况，严重影响的光电检测电路的检测能力。因此，对光电检测电路的噪声进行分析具有非常重要的意义。

1.光电二极管检测电路

1.1光电二极管工作原理

光电二极管主要是利用半导体通过光电效应实现光信号到电信号的转换。受热运动的影响，耗尽层两侧没有电场的中性区域内有一些以扩散运动方式的空穴与光生电子进入到耗尽层，然后受电场的作用形成扩散电流，且方向与漂移电流相一致。光生电流为扩散电流分量与漂移电流分量的总和。所以，当N层和P层的连接电路打开时，在它们的两端会产生一定的电动势，而该效应则被称之为光电效应。当P 层与N层的连接电路出现闭合时，N区的过剩电子与P区的空穴电流会相互流动，从而形成一种光生电流。光生电流会随着入射光的变化而进行线性改变，从而实现光信号到电信号的转变。

1.2低噪声光电检测线路设计的意义

通常情况下，通过光电二极管转换而得到的光电信号是较为微弱的，且在光电信号的检测极易受到噪声的干扰。实际情况表明，当通过光电来检测相关线路时，其中光电转换器件的前置放大电路噪声往往会对整个系统产生较为严重的影响，因此，要想提升系统的检测分辨率和信噪比，在设计光电检测电路时，必须尽量地降低噪声。

1.3噪声的实用性分析

通过分析光电检测电路中噪声产生的原因，并对其噪声特点进行分析，并针对电路设计过程中有可能出现的所有问题，尽可能地降低电路噪声，从而确保西戎检测分辨率与信噪比的提高。现如今，诸多领域中都涉及到了微弱光信号的检测，当然检测方法也是各式各样的，但就实际应用效果来看，一部分常用检测方法的灵敏度不是很高，在工作中往往无法满足相关要求，而利用光电技术对微弱信号进行检测，具有较高的精度和稳定性。

2.基于光电二极管反偏的光电检测电路设计

光电二极管的工作状态在光电检测电路中存在反偏、无偏、正偏三种。当光电二极管处于反偏状态时，在反偏偏压的作用下，光生截流子的运动会加快，与其它两种状态相比较而言，所产生的光电流更大，更有利于弱光条件下的检测。本文所研究的基于光电二极管反偏的光电检测电路的设计思路为：首先采用光电二极管连接反向高压，对微弱光信号进行探测，实现光信号到电流信号的转换；然后，再利用三极管实现电信号的流压转换；最后，再通过运算放大器来放大电压，从而完成对弱光信号检测。光电检测电路中的所有期器件都不可避免会产生相应的噪声，从而对整个电路的噪声输出产生不良的影响，下面本文就电路的噪声进行进一步分析。

3.光电检测电路的噪声

3.1光电二极管的噪声

（1）热噪声。热噪声指的是导电材料两端因其中截流子的不规则热运动而产生涨落的电流或电压，并且电流或电压的涨落是随机的。材料的噪声等效带宽、电阻及温度是决定材料热噪声电压的主要因素，其中电阻是主要的热噪声源，在电阻不变的情况下，减少温度及噪声等效带宽能够使热噪声得到有效地减少。

（2）散粒噪声。散粒噪声是指导电材料中由于光生截流子流动与形成密度的涨落而产生的噪声，散粒噪声电流和电压均方值取决于通过光电二极管的电流和噪声带宽，并且散粒噪声电压与电流的均方值与电流及噪声带宽呈正比例关系，减少电流和噪声带宽能够使散粒噪声得到有效地降低。在光电检测电路中，散粒噪声电流与热噪声电流是相互独立的，总电流的均方值为散粒噪声电流均方值与热噪声电流均方值之和。

3.2三极管的噪声

三极管的噪声主要取决于工作电流、发射结阻抗以及基区电阻等参数，光电检测电路设计时，应该选用噪声系数较小的三极管，同时，在对负载电阻的阻值进行确定时，需要对噪声与三极管静态放大倍数之间的关系进行充分地考虑，从而实现电路设计优化。

3.3运算放大器的噪声

光电检测电路中的运算放大器是由电容、电阻、晶体管等集成的，其中电阻和晶体管分别会产生相应的热噪声和散粒噪声。运算放大器的输出噪声电压与其自身的增益、带宽、模型以及反馈电阻等因素有关。在光电检测电路设计时，其它需求条件都满足的情况下，运算放大器应尽可能地选用小的，同时放大倍数确定后，对电路阻值进行调整时，应尽可能地减少反馈电阻的阻值，从而实现电路噪声的减少。

4.光电检测电路的总噪声及低噪声的设计

通过上文分析，我们不难得出光电检测电路主要包括光电二极管、三极管流压转换以及运算放大器三个模块，在对整个电路的噪声进行分析时，必须对这三部分进行级联。除与电路器件自身相关之外，光电检测电路的输出噪声电压还与其它众多因素相关联。（1）从理论的角度来看，三极管的负载电阻与其静态增益的并联值越小，电路噪声越小，越有利于检测，然而随着负载电阻与静态增益的减小，输出信号也在随之变小。因此，在实际条件过程中，应该首先尽可能地满足负载电阻的值，然后再结合负载电阻对静态增益进行调节。（2）从