利用三极管对高速大动态光电转换系统降噪探究

王立娟

摘要：在高速大动态电转换的过程中，所有的高速开关都会在切换的过程中不断地产生噪声，从而使得在高速状态下的芯片能够在运行的过程中产生脉冲。一般在大动态光电转换的过程中将会产生很大的干扰。本文通过实验有效地分析三级管内部集电极间电阻的特性和基极电压之间的关系。最终的目的是通过分析三极泄流和三级泄流之间所产生的实验仿真结果，从而最后分析并联三级管泄漏过程中的降噪效果。

关键词：三极管；高速大动态；光电转换系统；降噪措施

引言：

在通信系统发展的过程中，主要运用光纤传输技术来代替传统的技术，并要求配套的测量技术和测量仪器都能够不断地进步。在实际生产的过程中，正是因为让探测和采集过程中产生的目标光电信号变得更好，才会在之后對光电探测器本身的性能和数据采集的速度提出越来越高的要求。

1.三级管对高速大动态光电转换系统降噪研究的背景

传统的光电探测器很难在光电转换系统的内部实现大范围的变动。在实际高速大动态光电转换的过程中，一般都是通过使用自动量程的切换设计方案来有效地进行设计，并在之后通过利用高速开关来有效地切换通道内部反馈阻值的大小，这样往往能够更好地改变放大的倍数[1]。但是，在使用高速开关切换信号的过程中会产生噪声。产生的噪声会使得高速运放的过程进入饱和区，从而延长响应的时间。所以，光电转换系统内部的效率都会显得比较低。

本文结合实际案例选择在切换通道旁边来并联三级管，并将其更好地转变为泄流管道，从而更好地抑制噪声的产生。在实验的过程中可以通过分析内部的原理来更好地进行实验仿真。

2.系统结构

三级管本身都会在高速开关泄流管电路中发挥着重要的作用，整体结构如图1所示：

整个三极管泄流管本身是由光电二极管、高速运算放大器、反馈电阻和其他构件组成。这些构件将会联合在一起，并发挥着更大的作用。

3.三极管的特性和作用

3.1三极管特性

所有的三极管在有正向电压的背景下，射极和基极之间将会形成正向压降的模式。集电极和基电极之间又会形成反向压降。在建设的过程中可以满足三极管放大的要求。通过射极到集电极之间所产生的等效电阻可以做实验，表1则主要显示了实验的主要结果。

从表1的数据可以知道，基极电压将会影响三极管射极和集电极之间的电阻特性。如果在操作的过程中，基极电压已经达到了0.5V，那么可以将其视作光电二极管漏电阻。

3.2三级管发挥的泄流作用

当高速开关一直处于工作状态时，那么总有一路属于通畅的状态。但是，只有通过有效地断开才能够让开关有效地进行切换。

当开关一直处于闭合状态下时，在运算放大器反相运输的过程中都会产生接近于0的电压。如果开关一旦断开，那么跨接电阻的通道也会得以断开。

小信号在瞬间响应的过程中都会出现小的脉冲。在低速电路发展的过程中，正是由于瞬态响应的时间基本都比较长，所以脉冲时间并不会在其中占据很重要的地位，甚至不会在之后影响后续数据采集过程中的采样精度。又因为高速运算放大器在实际操作的过程中会保持较高的转换速率，瞬时响应的时间也会变得很短暂。因此，当舜态响应出现在边沿脉的时候，响应过程中的每一个环节都不能够被忽略[2]。又因为过载恢复时间会在其中发生作用，最后，整个边沿脉冲的比例也会变大。高速电路内部也就会出现脉冲噪声干扰的现象。

三极管的基极电压多数都是由使用过程中的输出端所提供的。不仅发射极处于正偏的位置，而且集电极也出现反偏的现象。光电探测器内部所产生的大部分电流都可以借助三极管射极和集电极的通路来进行流走。在实践操作的过程中，只有很少一部分的电流会因此流过有效电阻。同时，运算放大器反相输入端的电压趋近于零。因此，运算放大器不会在使用的过程中进入饱和区。

4.仿真结果分析

4.1不加极的三级管效果分析

采用压控开关来模拟高速开关断开和闭合的过程，一般周期为2ms，整个输入电压和输出电压仿真的结果如图2所示。根据测量的结果可以得知，在开关闭合时，输入的电压为1.654mV，而输出电压为-102.680mV。由T2标线可以得知：当输入电压都上升到-4.820V时，输出的电压会立刻变成5000V。所有类型的运算放大器也就因此进入饱和区。

4.2加三级管泄流脉冲效果分析

如果三级管内部的运算器已经被明显地稳定在线性区域时，当开关闭合时，输入的电压为-102.573μV，输出的电压则会被定为为428.804mV。另外，在开关断开之后，三极管输出电压所产生的影响明显要更大。其中，运算放大器本身的输入电压几乎为零，而且有着很好的稳定效果。但是，在整体操作过程中，只有在开关闭合的瞬间才会产生轻微地抖动，并不会对输出的过程产生很大的影响。

从T1-T2的变化可以知道，在加三极管运算法则之后，其运算放大器并没有因此进入饱和区。整个输出电压下降的有效电压值主要被控制在386.332ns内。

5.结束语

三极管的泄流作用本身将会很好地抑制高速开关切换过程中产生的噪声，并有效地缩短输出信号下降时的恢复时间，最终也就能够实现稳定的输出。

参考文献

[1] 王立刚，张殿元. 低噪声光电检测电路的研究与设计[J].电测与仪表，2016（3）：29-34

[2] 宋涛，张斌，罗倩倩. 光电转换电路的设计与优化[J]. 光电技术应用，2017（3）：159-163

（作者单位：广东省佛山市高明区职业技术学校）