光電二極管中信號(hào)接收電路的噪聲分析與補(bǔ)償

光電二極管中信號(hào)接收電路的噪聲分析與補(bǔ)償

在許多機(jī)器中，需要檢測(cè)弱電子光明。熒光信號(hào)檢測(cè)器通常由熒光信號(hào)傳感器和熒光信號(hào)識(shí)別電路組成，不僅干擾外部噪聲，而且影響內(nèi)部噪聲?？蛇x用的熒光信號(hào)傳感器有:CCD成像系統(tǒng)、光電池、光電二極管、雪崩二極管和光電倍增管(PMT)等。PMT性能最好但價(jià)格最貴,光電二極管比較便宜,體積小巧,在各種儀器中得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于熒光信號(hào)比較微弱,因此設(shè)法降低熒光信號(hào)接收器的噪聲是成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1反偏置工作模式光電二極管和運(yùn)放之間可以接成I-V變換電路形式(跨阻放大器),如圖1a和1b,輸出電壓均為VO=IP·RF。光電二極管可以?xún)煞N模式工作,一是零偏置工作(光伏模式,如圖1a),二是反偏置工作(光導(dǎo)模式,如圖1b)。在光伏模式(Photovoltaic)時(shí),增益較小,光電二極管可非常精確地線性工作;而在光導(dǎo)模式(Photoconductive)時(shí),增益較高,光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度,但要犧牲線性性。在反偏置條件下,即使無(wú)光照,仍有一個(gè)很小的電流,叫做暗電流(無(wú)照電流)。在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流,這時(shí)二極管噪聲基本上是反饋電阻RF產(chǎn)生的熱噪聲。在反偏置時(shí),由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。在設(shè)計(jì)光電二極管過(guò)程中,通常是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)的,而不是設(shè)計(jì)一種適用兩種模式的且最優(yōu)化的電路。2光電噪聲的測(cè)量上面談到的噪聲僅是二極管自身的噪聲。圖1中無(wú)論那種模式,整個(gè)接收器電路的噪聲由三部分組成:(1)光電二極管的噪聲(光伏模式僅熱噪聲,光導(dǎo)模式為熱噪聲與光電流產(chǎn)生的散粒噪聲之和);(2)反饋電阻Rf上產(chǎn)生的噪聲;(3)放大器的噪聲。為便于分析,以光導(dǎo)模式為例。這時(shí),光電二極管的噪聲由散粒噪聲和熱噪聲組成,以散粒噪聲為主,熱噪聲可以忽略。散粒噪聲通常是由流過(guò)器件的電流的隨機(jī)漲落產(chǎn)生的。沒(méi)有光信號(hào)時(shí),該電流為暗電流,散粒噪聲就由暗電流產(chǎn)生。光電二極管的散粒噪聲電流為:式中q-電荷(1.6×10-19C)Id-暗電流(A);Ip-光電流(A)Δf-噪聲帶寬(Hz)反饋電阻的熱噪聲電流如下式所示:式中k-波爾斯曼常數(shù),1.38x10-23JK-1;T-開(kāi)氏溫度(K);Δf-噪聲帶寬(Hz);Rf-反饋電阻;在加有電壓的情況下,一般來(lái)說(shuō),在整個(gè)噪聲中,散粒噪聲將是主要的成分。最后是放大器貢獻(xiàn)的噪聲。該噪聲決定于放大器使用時(shí)的接法并且也是頻率的函數(shù)。放大器噪聲電流in(amp)由下式給出:式中iamp-放大器輸入漏泄電流;Vamp-放大器輸入噪聲電壓;ω=2πf,f是頻率;CT=放大器輸入端看進(jìn)去的總輸入電容。iamp和Vamp決定于所使用的放大器類(lèi)型,這些數(shù)值由放大器廠家提供。正確的選擇運(yùn)算放大器是降低整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)噪聲和提高其頻率響應(yīng)的關(guān)鍵。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲電流為:光電二極管噪聲+反饋電阻噪聲+放大器噪聲,由下式給出:式中可見(jiàn),整個(gè)檢測(cè)電路的噪聲決定于光電二極管、反饋電阻和運(yùn)算放大器。3低噪聲法測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)由于熒光信號(hào)十分微弱,電路設(shè)計(jì)中首要考慮的是如何降低噪聲。3.1反偏置的工作原理如果要求在非常精確的線性和盡可能低的噪聲下工作,而且工作頻率不是很高,則應(yīng)選擇光伏模式(零偏置),如圖1(a)所示。這時(shí)光電二極管的增益較小,需要采用盡可能大的反饋電阻才能獲得足夠的輸出電壓,因此應(yīng)在電阻和運(yùn)算放大器的選擇上下工夫。如果要求工作在較高的頻率下,應(yīng)采用光導(dǎo)模式(反偏置)。這時(shí)除了注意電阻和運(yùn)算放大器的選擇外,還要增加補(bǔ)償電容以改善整個(gè)電路的頻率特性。3.2級(jí)公用再增加2.為了獲得最大的信噪比(SNR),原則是一級(jí)夠用就不用二級(jí),一級(jí)增益不夠時(shí)再增加第二級(jí)。因?yàn)槊恳胍患?jí)放大器就增加一級(jí)噪聲源,而且后級(jí)對(duì)前級(jí)的噪聲要逐級(jí)放大的。3.3雙極型運(yùn)算放大器ad805除了考慮選用低噪聲和低漂移的運(yùn)放外,要選用高輸入阻抗低偏流的運(yùn)放。因?yàn)橐_測(cè)量數(shù)10pA數(shù)量級(jí)范圍的光電二極管電流,運(yùn)算放大器的偏置電流不應(yīng)大于數(shù)皮安,因此對(duì)運(yùn)放的選擇提出了極高的要求。往往場(chǎng)效應(yīng)(FET)晶體管構(gòu)成的運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高和輸入偏流低的優(yōu)點(diǎn),但它的偏置電流卻隨溫度變化,溫度每升高10℃就增加一倍。雙極型運(yùn)算放大器沒(méi)有這個(gè)缺點(diǎn),但是其輸入偏置電流往往較大。例如,OP07是一種超低失調(diào)電壓(10μV)的雙極型運(yùn)算放大器,但是其偏置電流達(dá)4nA(4000pA)。即使采用偏置電流補(bǔ)償技術(shù)的超低偏流雙極型運(yùn)算放大器(如OP97),在室溫下的偏置電流大約也有100pA。必須在較高溫度下工作的場(chǎng)合,又要求較低的輸入偏流時(shí),可選用BiFET工藝制造的運(yùn)放,它兼有FET型和雙極型二者的優(yōu)點(diǎn)。選擇帶FET輸入的“靜電計(jì)級(jí)”運(yùn)算放大器作為光電二極管前置放大器,使用P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET作為輸入級(jí),參見(jiàn)圖2。運(yùn)算其余部分使用雙極型工藝設(shè)計(jì)。為使失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移減至最小,BiFET運(yùn)算放大器在芯片工藝中采用了激光微調(diào)技術(shù),微調(diào)內(nèi)部電阻R1、R2、R3和R4使得運(yùn)放輸入級(jí)盡可能地對(duì)稱(chēng)。AD795就是采用這種BiFET工藝制作的運(yùn)放?？勺鳛楣怆姸O管前置放大器,其主要性能如下:3.4運(yùn)放和同含件的生產(chǎn)為防止因泄漏引起噪聲和測(cè)量誤差,必須考慮電路板布線和器件安裝工藝。(2)輸入管腳護(hù)衛(wèi)(guarding)與隔離技術(shù)該技術(shù)就是通過(guò)將“靈敏點(diǎn)”(運(yùn)放的輸入端及其引線)與印制電路板上的大電壓梯度導(dǎo)線之間進(jìn)行隔離的防護(hù)方法,可以減少寄生電容和寄生泄漏電流。實(shí)際上,防護(hù)方法就是在靈敏點(diǎn)周?chē)笤O(shè)平行的低阻抗導(dǎo)線,該導(dǎo)線的電位固定為地(0V)或電源電壓(+VCC)或某一固定的電壓值(根據(jù)運(yùn)放接法確定)。它通過(guò)將泄漏電流轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離靈敏點(diǎn)處而對(duì)泄漏電容起緩沖作用。圖4是運(yùn)放反相接法時(shí)的護(hù)衛(wèi)技術(shù)和印制電路板的布線工藝。2腳通過(guò)過(guò)孔a由焊接面布線引出或在元件面由同軸電纜引出均可。圖5是運(yùn)放同相接法時(shí)的護(hù)衛(wèi)技術(shù)和印制電路板的布線工藝。3腳通過(guò)過(guò)孔b由焊接面布線引出或在元件面由同軸電纜引出均可。(3)懸置引出技術(shù)對(duì)于更加微弱的熒光信號(hào),意味著需要測(cè)量更小的電流,往往是測(cè)量飛安(fA)級(jí)的電流。這就要求運(yùn)算放大器的輸入阻抗極高和輸入偏流極小,如AD549的輸入偏流僅為100fA。這時(shí)輸入引腳(無(wú)論是反相接法時(shí)的2腳還是同相接法時(shí)的3腳)都不能再接到電路板的焊盤(pán)上了,否則沿電路板表面的泄漏電流可能就大大超過(guò)微弱的輸入光電流了。這時(shí)應(yīng)采用“懸置引出技術(shù)”,如圖6所示。其余引腳焊接在PCB板上,僅將輸入引腳(反相接法是2腳,同相接法是3腳)懸空(用尖嘴鉗將該引腳彎直了)接至“干凈的”聚四氟乙烯隔離絕緣子座上?！案蓛舻摹本鬯姆蚁└綦x絕緣子是指已加工成形并用“電子水”仔細(xì)清洗干燥后且未玷污上粉末或顆?；覊m的一塊潔凈的固體聚四氟乙烯材料。(4)PCB板的清潔和隔離涂敷全部元器件安裝焊接調(diào)試完畢確認(rèn)無(wú)誤后,用“電子水”仔細(xì)清洗整個(gè)PCB板并干燥后,用優(yōu)質(zhì)絕緣涂覆材料加以涂敷密封,防止?jié)駳夂突覊m侵入。(5)屏蔽除將泄漏電流減至最小之外,整個(gè)電路應(yīng)當(dāng)用接地金屬屏罩進(jìn)行良好屏蔽,以防通過(guò)電磁感應(yīng)接收雜散的電磁干擾信號(hào)。(6)濾波光電二極管的光電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后,可根據(jù)需要在后面增加一級(jí)低通濾波器進(jìn)一步濾掉不需要的噪聲信號(hào)。還可以在軟件上采用小波等高級(jí)有效的濾波技術(shù)來(lái)提取微弱的熒光信號(hào)。4實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)示例4.1ad295k輸出特性圖7是一個(gè)帶有輸入失調(diào)調(diào)零電路的熒光信號(hào)前置放大器,光電二極管工作在光伏模式下。調(diào)零電路可給同相端提供?1.5mV的偏置電壓。電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),主要性能指標(biāo)如下(實(shí)測(cè)):·輸出失調(diào)誤差(在0℃~70℃):30mV;·輸出靈敏度:1mV/pA;·輸出光電靈敏度:31V/foot-candle;·25℃時(shí)總輸出噪聲:38.6μVRMS(AD795K輸出端);·25℃時(shí)總噪聲RTI:42fARMS,或23.4pAp-p;·R2=1000MΩ時(shí)照度范圍:0.001~0.36foot-candles;·帶寬:18Hz;在AD795K輸出端后接一個(gè)截止頻率為20Hz的單極點(diǎn)的低通濾波器可以使總輸出噪聲由38.6μVRMS降至26.5μVRMS,但響應(yīng)速度卻降低了。在熒光信號(hào)變化較快時(shí)就要采用其他方法降低噪聲的同時(shí)保持足夠的響應(yīng)速度。簡(jiǎn)單地增加反饋電容CF雖然可以有效地降低高頻噪聲增益,但同時(shí)過(guò)大的CF也會(huì)使帶寬變窄到不可接受的程度。所以最好還是采用后接低通濾波器的做法。4.2具有地下能源補(bǔ)償功能的2mhz寬光刻預(yù)算器5傳感器及光電電極的噪聲采用光電二極管的熒光信號(hào)接收電路設(shè)計(jì),首要考慮的是噪聲問(wèn)題。在低速高精度高線性度應(yīng)用中應(yīng)采用光伏模式電路(如圖7),在高速應(yīng)用中應(yīng)采用光導(dǎo)模式電路(如圖8)。若要補(bǔ)償輸入失調(diào)可采用圖7的方法,若要補(bǔ)償暗電流可采用圖8的方法。在器件的選擇上和PCB板的布線及元器件安裝工藝上都要十分考究,比如反饋電阻RF及補(bǔ)償電容CF的防泄漏措施、輸入管腳的“護(hù)衛(wèi)(guarding)”與隔離技術(shù)、輸入管腳的懸置引出技術(shù)、PCB板的清潔和隔離涂敷、屏蔽和濾波等技術(shù),以期獲得盡可能高的信噪比(SNR)。本文論述的技術(shù)已經(jīng)在熒光分光光度計(jì)、石油熒光分析儀、生化分析儀、迷你光度計(jì)、可見(jiàn)分光光度計(jì)、激光血球計(jì)數(shù)儀和PCR熒光定量分析儀等多種產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用,效果良好。放大器的噪聲。反饋電阻Rf產(chǎn)生的噪聲;光電二極管的噪聲;總噪聲電流;(1)防泄漏措施和反饋電阻RF及補(bǔ)償電容CF的選擇熒光信號(hào)產(chǎn)生的光電流本來(lái)就十分微弱,如果電路板(PCB板)上再存在電流泄漏出去的路徑,使得流過(guò)反饋電阻RF的有效電流減小,就會(huì)大大降低整個(gè)檢測(cè)電路的增益(因?yàn)閂O=IP·RF),或其它干擾噪聲電流泄漏進(jìn)入而流過(guò)反饋電阻RF使得輸出VO中噪聲增加。主要泄漏路徑如圖3中的虛線所框。反饋電阻RF應(yīng)采用有玻璃絕緣的陶瓷電阻或玻璃上的薄膜電阻或精密金屬膜電阻裝在抽真空的玻璃封裝內(nèi)?？缃釉诜答侂娮鑳啥说难a(bǔ)償電容器CF應(yīng)采用低泄漏的聚丙烯或聚苯乙烯介質(zhì)的電容器。與匯合結(jié)點(diǎn)(虛地點(diǎn))的所有連線應(yīng)足夠短。如果用電纜將光電二極管和前置放大器相連接,則電纜應(yīng)盡量短且用聚