光电检测前置放大电路设计及稳定性分析

朱珠

摘 要： 光电检测前置放大电路的设计直接影响整个检测电路的性能。选择光电二极管在光伏模式下工作，使用低输入偏置电流和低噪声放大器，设计了光电检测前置放大电路，重点分析了转换电路的稳定性，给出了转换电路元器件参数选择的依据。电路在实际应用中取得了良好的效果。

关键词： 光电二极管； 前置放大电路； 低噪声； 稳定性分析

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0137?03

Abstract： The design quality of pre?amplifier circuit in photoelectric detector can directly affect the properties of a whole detection system. In order to get a perfect photoelectric detection pre?amplification circuit， a photodiode working in photovoltaic mode was selected， and then a photoelectric detection pre?amplification circuit with low input bias current and low noise amplifier was designed. The stability for conversion circuit is analyzed in this paper. The basis of choosing the relevant parameters of the components in conversion circuit is given. The circuit has achieved good results in practical application.

Keywords： photodiode； pre?amplification circuit； low noise； stability analysis

0 引 言

光电检测电路是光信号和电信号之间的桥梁，在军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医疗卫生和民用[1]等诸多领域都需要将光的强度信息转换为电信号。例如，大米色选机、色谱分析仪、火灾探测和辐射计[1?3]等仪器或仪表都是光电检测的具体应用。在这些电路中，光电二极管是最常用的光探测器，光电二极管产生一个与照度成比例的微弱电流，前置放大器将这个微弱的电流信号放大转换为一个易于处理的电信号[4]。

文献[4?6]对光电转换电路前置放大部分的噪声进行了较详细地分析和推导，但过程较为复杂。本文从实用角度对检测前置放大电路进行研究，分析了电路设计各个方面的要点，给出了使用光电二极管进行信号采集的光电信号转换电路的分析与设计方法。

1 光电二极管模型及其转换电路

光电二极管放大器的输出电阻大致等于[RFAOL，]其中，[AOL]是运放的开环增益。因此，输出电阻会变得极小，负载效应可以忽略。

光电二极管电流/电压转换电路中运放的选择至关重要，运放应该具有低输入偏置电流[IB、]低输入失调电压[VOS]及温度漂移、轨到轨输入/输出、宽增益带宽积GBWP、高压摆率SR、低输入噪声电流密度和低输入噪声电压密度的性能。

运放的输入偏置电流[IB]产生的直流输出电压误差等于[IB*RF，]并且[IB]会随温度的上升而升高，所以较高温度下的误差会较大。一般的做法是通过增加一个值为[RF∥RJ]并与运放同相输入的并联补偿电阻[RC，]将电压误差降至[IOS*RF。]但是在高温下，[RC]的值难以确定，因为[RJ]的值会随温度的上升而显著下降，在这种情况下，[RJ]的值可能小于[RF。]此外，当运放输入噪声电流流过[RC]时，它会产生噪声电压；另外，[RC]还会产生热噪声电压，这两种噪声电压都会被电路的噪声增益放大，因此，输出噪声水平会升高。在运放的同相输入处， [IB]还会在[RC]上产生电压，这会导致在反相输入处产生相同的电压。此时，偏电压不再稳定，将导致光电二极管的响应变为非线性。因此，通过增加补偿电阻[RC]来降低电压误差[IB*RF]通常不是一种有效的方法。

输入失调电压[VOS]产生的直流输出电压误差等于[VOS*（1+RFRJ），]室温下由于[RF]远小于[RJ，]所以增益约为1 V/V，因此该误差约等于[VOS。]在高温下，由于[RJ]的值显著降低，增益可大于1 V/V，所以误差可能要大得多。此外，[VOS]漂移可能会使误差变得更大。因此，低[VOS]和低[VOS]漂移有助于降低高温下的输出误差。

此外，轨到轨输出能最大程度地提高动态输出电压范围和信噪比，宽的增益带宽积和高的压摆率可满足输出阶跃响应时间的要求。

当噪声电流流过光电二极管放大器时，将会产生电阻噪声电压，运放输入电流噪声密度由[IB]决定，因此[IB]越低，运放输入噪声电流密度就越低。低输入噪声电压密度对于光电二极管放大器的输出噪声也发挥着非常重要的作用。它会被噪声增益放大，因此输出噪声水平会受到显著影响。

3 结 语

本文给出了光电二极管的等效模型和光电转换电路，介绍了如何设计光电二极管放大器电路，说明了提高电路性能的几个设计要点，重点分析了提高电路稳定性的方法。电路在实际应用中效果很好。

参考文献

[1] 刘卫东，刘延冰.检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计[J].电测与仪表，1999（4）：28?30.

[2] 霍戌文，李伟，李进，等.光电探测微信号放大器设计[J].浙江理工大学学报，2005（3）：259?262.

[3] 梁义涛，汶德胜，王宏.瞬态微光探测系统前置传感器低噪声设计[J].半导体光电，2008（1）：147?150.

[4] 占建民，汶德胜，王宏，等.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].半导体技术，2011（4）：304?306.

[5] 王立刚，建天成.基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计[J].大庆石油学院学报，2009（2）：88?92.

[6] 张正茂，陈峰.光电探测放大器的噪声分析[J].光电技术应用，2012（3）：37?40.

摘 要： 光电检测前置放大电路的设计直接影响整个检测电路的性能。选择光电二极管在光伏模式下工作，使用低输入偏置电流和低噪声放大器，设计了光电检测前置放大电路，重点分析了转换电路的稳定性，给出了转换电路元器件参数选择的依据。电路在实际应用中取得了良好的效果。

关键词： 光电二极管； 前置放大电路； 低噪声； 稳定性分析

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0137?03

Abstract： The design quality of pre?amplifier circuit in photoelectric detector can directly affect the properties of a whole detection system. In order to get a perfect photoelectric detection pre?amplification circuit， a photodiode working in photovoltaic mode was selected， and then a photoelectric detection pre?amplification circuit with low input bias current and low noise amplifier was designed. The stability for conversion circuit is analyzed in this paper. The basis of choosing the relevant parameters of the components in conversion circuit is given. The circuit has achieved good results in practical application.

Keywords： photodiode； pre?amplification circuit； low noise； stability analysis

0 引 言

光电检测电路是光信号和电信号之间的桥梁，在军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医疗卫生和民用[1]等诸多领域都需要将光的强度信息转换为电信号。例如，大米色选机、色谱分析仪、火灾探测和辐射计[1?3]等仪器或仪表都是光电检测的具体应用。在这些电路中，光电二极管是最常用的光探测器，光电二极管产生一个与照度成比例的微弱电流，前置放大器将这个微弱的电流信号放大转换为一个易于处理的电信号[4]。

文献[4?6]对光电转换电路前置放大部分的噪声进行了较详细地分析和推导，但过程较为复杂。本文从实用角度对检测前置放大电路进行研究，分析了电路设计各个方面的要点，给出了使用光电二极管进行信号采集的光电信号转换电路的分析与设计方法。

1 光电二极管模型及其转换电路

光电二极管放大器的输出电阻大致等于[RFAOL，]其中，[AOL]是运放的开环增益。因此，输出电阻会变得极小，负载效应可以忽略。

光电二极管电流/电压转换电路中运放的选择至关重要，运放应该具有低输入偏置电流[IB、]低输入失调电压[VOS]及温度漂移、轨到轨输入/输出、宽增益带宽积GBWP、高压摆率SR、低输入噪声电流密度和低输入噪声电压密度的性能。

运放的输入偏置电流[IB]产生的直流输出电压误差等于[IB*RF，]并且[IB]会随温度的上升而升高，所以较高温度下的误差会较大。一般的做法是通过增加一个值为[RF∥RJ]并与运放同相输入的并联补偿电阻[RC，]将电压误差降至[IOS*RF。]但是在高温下，[RC]的值难以确定，因为[RJ]的值会随温度的上升而显著下降，在这种情况下，[RJ]的值可能小于[RF。]此外，当运放输入噪声电流流过[RC]时，它会产生噪声电压；另外，[RC]还会产生热噪声电压，这两种噪声电压都会被电路的噪声增益放大，因此，输出噪声水平会升高。在运放的同相输入处， [IB]还会在[RC]上产生电压，这会导致在反相输入处产生相同的电压。此时，偏电压不再稳定，将导致光电二极管的响应变为非线性。因此，通过增加补偿电阻[RC]来降低电压误差[IB*RF]通常不是一种有效的方法。

输入失调电压[VOS]产生的直流输出电压误差等于[VOS*（1+RFRJ），]室温下由于[RF]远小于[RJ，]所以增益约为1 V/V，因此该误差约等于[VOS。]在高温下，由于[RJ]的值显著降低，增益可大于1 V/V，所以误差可能要大得多。此外，[VOS]漂移可能会使误差变得更大。因此，低[VOS]和低[VOS]漂移有助于降低高温下的输出误差。

此外，轨到轨输出能最大程度地提高动态输出电压范围和信噪比，宽的增益带宽积和高的压摆率可满足输出阶跃响应时间的要求。

当噪声电流流过光电二极管放大器时，将会产生电阻噪声电压，运放输入电流噪声密度由[IB]决定，因此[IB]越低，运放输入噪声电流密度就越低。低输入噪声电压密度对于光电二极管放大器的输出噪声也发挥着非常重要的作用。它会被噪声增益放大，因此输出噪声水平会受到显著影响。

3 结 语

本文给出了光电二极管的等效模型和光电转换电路，介绍了如何设计光电二极管放大器电路，说明了提高电路性能的几个设计要点，重点分析了提高电路稳定性的方法。电路在实际应用中效果很好。

参考文献

[1] 刘卫东，刘延冰.检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计[J].电测与仪表，1999（4）：28?30.

[2] 霍戌文，李伟，李进，等.光电探测微信号放大器设计[J].浙江理工大学学报，2005（3）：259?262.

[3] 梁义涛，汶德胜，王宏.瞬态微光探测系统前置传感器低噪声设计[J].半导体光电，2008（1）：147?150.

[4] 占建民，汶德胜，王宏，等.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].半导体技术，2011（4）：304?306.

[5] 王立刚，建天成.基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计[J].大庆石油学院学报，2009（2）：88?92.

[6] 张正茂，陈峰.光电探测放大器的噪声分析[J].光电技术应用，2012（3）：37?40.

摘 要： 光电检测前置放大电路的设计直接影响整个检测电路的性能。选择光电二极管在光伏模式下工作，使用低输入偏置电流和低噪声放大器，设计了光电检测前置放大电路，重点分析了转换电路的稳定性，给出了转换电路元器件参数选择的依据。电路在实际应用中取得了良好的效果。

关键词： 光电二极管； 前置放大电路； 低噪声； 稳定性分析

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0137?03

Abstract： The design quality of pre?amplifier circuit in photoelectric detector can directly affect the properties of a whole detection system. In order to get a perfect photoelectric detection pre?amplification circuit， a photodiode working in photovoltaic mode was selected， and then a photoelectric detection pre?amplification circuit with low input bias current and low noise amplifier was designed. The stability for conversion circuit is analyzed in this paper. The basis of choosing the relevant parameters of the components in conversion circuit is given. The circuit has achieved good results in practical application.

Keywords： photodiode； pre?amplification circuit； low noise； stability analysis

0 引 言

光电检测电路是光信号和电信号之间的桥梁，在军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医疗卫生和民用[1]等诸多领域都需要将光的强度信息转换为电信号。例如，大米色选机、色谱分析仪、火灾探测和辐射计[1?3]等仪器或仪表都是光电检测的具体应用。在这些电路中，光电二极管是最常用的光探测器，光电二极管产生一个与照度成比例的微弱电流，前置放大器将这个微弱的电流信号放大转换为一个易于处理的电信号[4]。

文献[4?6]对光电转换电路前置放大部分的噪声进行了较详细地分析和推导，但过程较为复杂。本文从实用角度对检测前置放大电路进行研究，分析了电路设计各个方面的要点，给出了使用光电二极管进行信号采集的光电信号转换电路的分析与设计方法。

1 光电二极管模型及其转换电路

光电二极管放大器的输出电阻大致等于[RFAOL，]其中，[AOL]是运放的开环增益。因此，输出电阻会变得极小，负载效应可以忽略。

光电二极管电流/电压转换电路中运放的选择至关重要，运放应该具有低输入偏置电流[IB、]低输入失调电压[VOS]及温度漂移、轨到轨输入/输出、宽增益带宽积GBWP、高压摆率SR、低输入噪声电流密度和低输入噪声电压密度的性能。

运放的输入偏置电流[IB]产生的直流输出电压误差等于[IB*RF，]并且[IB]会随温度的上升而升高，所以较高温度下的误差会较大。一般的做法是通过增加一个值为[RF∥RJ]并与运放同相输入的并联补偿电阻[RC，]将电压误差降至[IOS*RF。]但是在高温下，[RC]的值难以确定，因为[RJ]的值会随温度的上升而显著下降，在这种情况下，[RJ]的值可能小于[RF。]此外，当运放输入噪声电流流过[RC]时，它会产生噪声电压；另外，[RC]还会产生热噪声电压，这两种噪声电压都会被电路的噪声增益放大，因此，输出噪声水平会升高。在运放的同相输入处， [IB]还会在[RC]上产生电压，这会导致在反相输入处产生相同的电压。此时，偏电压不再稳定，将导致光电二极管的响应变为非线性。因此，通过增加补偿电阻[RC]来降低电压误差[IB*RF]通常不是一种有效的方法。

输入失调电压[VOS]产生的直流输出电压误差等于[VOS*（1+RFRJ），]室温下由于[RF]远小于[RJ，]所以增益约为1 V/V，因此该误差约等于[VOS。]在高温下，由于[RJ]的值显著降低，增益可大于1 V/V，所以误差可能要大得多。此外，[VOS]漂移可能会使误差变得更大。因此，低[VOS]和低[VOS]漂移有助于降低高温下的输出误差。

此外，轨到轨输出能最大程度地提高动态输出电压范围和信噪比，宽的增益带宽积和高的压摆率可满足输出阶跃响应时间的要求。

当噪声电流流过光电二极管放大器时，将会产生电阻噪声电压，运放输入电流噪声密度由[IB]决定，因此[IB]越低，运放输入噪声电流密度就越低。低输入噪声电压密度对于光电二极管放大器的输出噪声也发挥着非常重要的作用。它会被噪声增益放大，因此输出噪声水平会受到显著影响。

3 结 语

本文给出了光电二极管的等效模型和光电转换电路，介绍了如何设计光电二极管放大器电路，说明了提高电路性能的几个设计要点，重点分析了提高电路稳定性的方法。电路在实际应用中效果很好。

参考文献

[1] 刘卫东，刘延冰.检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计[J].电测与仪表，1999（4）：28?30.

[2] 霍戌文，李伟，李进，等.光电探测微信号放大器设计[J].浙江理工大学学报，2005（3）：259?262.

[3] 梁义涛，汶德胜，王宏.瞬态微光探测系统前置传感器低噪声设计[J].半导体光电，2008（1）：147?150.

[4] 占建民，汶德胜，王宏，等.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].半导体技术，2011（4）：304?306.

[5] 王立刚，建天成.基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计[J].大庆石油学院学报，2009（2）：88?92.

[6] 张正茂，陈峰.光电探测放大器的噪声分析[J].光电技术应用，2012（3）：37?40.