基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析

凌茂真 马华平 谷顺虎

摘 要 光电二极管在目前的电力设备元件中有着重要的应用，其性能、状态等对设备的稳定、安全等有着重要的影响，所以在实践中需要关注光电二极管的相关内容分析。从目前掌握的资料分析来看，噪声性能会对光电检测电路探测能力起到限制作用，所以在噪声普遍存在的情况下，检测电路的整体能力无法有效提升，因此在实践中需要做好噪声的分析与解决。通过不断的实践分析发现基于光电检测电路的结构可以将电路等效为观点，而极端、晶体三极管和运算放大器，对不同的模块进行分析可以进一步明确噪声的来源和影响因素，这样，各部分的输出噪声可以被准确计算，而基于噪声计算结果能够构建电路输出噪声的电压模型，基于电压模型确定参数，并对电路进行设计，这样可以得带具有低噪声特性的光电检测电路。总之，文章对相关内容进行分析，旨在为实践提供指导和帮助。

关键词 光电二极管;光电检测电路;噪声分析

从目前掌握的资料来看，光电检测技术在诸多领域得到了应用。就具体的利用分析来看，在理想的情况下，只要有足够光辐射信号的地方就可以使用光电检测电路进行信号的检测，但是当被检测信号比较弱的时候，信号往往会淹没在噪声中，所以信号检测的具体效果会大打折扣，基于此，对光电检测电路的噪声进行分析便有了突出的现实意义。有研究人员通过实验分析了光电二极管的噪声，并基于研究成果提出了设计低噪声电路的原则和方法，对该内容做具体的分析并指导实践工作，实现工作实践中低噪声电路的设计和应用，这样，光电检测电路的具体利用效果会显著加强。

1基于光电二极管反偏的光电检测电路设计

对光电检测电路做具体的分析发现在电路应用实践中，光电二极管主要有三种基本的状态，分别是正偏、无偏和反偏。当处在反偏状态的时候，反偏偏压会加快光生载流子运动，与无偏和正偏情况相比，反偏会产生更大的光电流，这种情况对于弱光环境检测是非常必要的[1]。基于此分析，在具体的工作实践中，要设计光电检测电路，可以实现光电二极管和反向高压的连接，以此实现微弱光信号的探测，探测到的光信号转变成为电流信号之后，使用三极管对电信号进行流压转换，之后再使用运算放大镜做电压的放大，这样，弱光信号的检测便可以实现，下图为光电检测电路图。

2光电检测电路的噪声分析

光电检测电路的噪声性能会限制其探测能力，所以需要对电路的噪声具体情况以及噪声的产生等进行详细的分析。就目前的具体分析来看，光电检测电路存在的噪声是非常多的，具体的有热噪声、散粒噪声、温度噪声以及复合噪声等[2]。就本文的光电检测电路分析设计来看，主要考虑的是热噪声和散粒噪声两大类。

就热噪声的具体分析来看，其具体的产生为：导电材料当中的截流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压和电流。就现实分析来看，热噪声的出现比较的频繁。就散粒噪声的具体分析来看，其基本产生为：由光电截流子形成和流动密度的涨落所造成的噪声。从一般分析来看，存在PN结构的地方有着比较普遍的散粒噪声。

就光电检测电路的具体分析来看，其主要有三大组成部分，分别是光电二极管模块、三极管流压转换模块和运算放大器模块，这三部分在运用实践中均会产生噪声，不过具体的噪声产生量和噪声的产生原因有着显著的差异[3]。从现实分析来看，电路中的噪声存在如果不能进行及的清除，光电检测电路的实际应用价值会显著下降，所以在实践中，对三大模块的噪声类型做具体的分析，同时分析研究噪声的具体产生原因，这对于低噪声光电检测电路的具体设计可以起到参考作用。

3光电检测电路总噪声和降低噪声的设计原则

从现实分析来看，光电检测电路的噪声性能对其的具体探测能力有显著的影响，所以在光电检测电路设计的时候需要基于总噪声降低的基本要求进行相应的分析。基于上文的具体分析可知，光电检测电路可以分为三大模块，其分别是光电二极管模块、三极管流压转换模块和运算放大器模块。在进行电路噪声分析的时候将这三个模块做级联（下图）分析，可以獲得比较突出的结果。

构建级联框图并做相关要素的具体分析，从分析结果来看，光电检测电路的输出噪声和较多的因素有关，其中出了噪声电压和期间本身的影响外，还有其他的因素，以下是具体的介绍[4]。①三极管的静态增益和负载电阻与基区电阻的并联值越小，电路的噪声也会越小，但是在实践中如果同时减少静态增益和负载电阻，输出信号也会明显的变小，所以在进行调节的时候要先进行负载电阻的满足，然后在基于负载电阻对静态增益进行调整。②运算放大器自身的增益越小，输出噪声的电压表现会越低，所以在设计的时候需要强调整个电路的增益，并在增益维持的情况下减小电阻[5]。需要注意的是，如果电阻过小，运算放大器的具体工作状态会出现不稳定的情况，所以在实践中需要基于具体的情况做调整。③系统的通频带越小，电路的输出噪声也会越小，不过通频带的减小会影响到信号的波形，所以在综合设计的时候需要综合考虑这两方面的波形。

就实践工作开展来看，要有效减小电路的噪声，还可以通过级间阻抗匹配角度的减小来完成。总的来讲，基于具体的影响因素进行相关的设计分析，最终的低噪声电路设计效果会更加出众。

4基于光电二极管反偏的低噪声放大电路设计

从上述的分析来看，在各方面因素控制的情况下设计基于光电二极管反偏的低噪声放大电路可以有效提升检测电路的信号探测能力，这对于提高光电检测电路的利用价值而言有积极的作用。基于具体的分析，在进行基于光电二极管反偏的低噪声放大电路设计的时候需要明确电路中的重要元件。通过多方面分析与讨论可知，元件主要有：光电二极管、三极管、运算放大器、负载电阻、输入电阻和反馈电阻。为了保证元件应用的性能，基于实践要求对元件的具体型号、参数等进行明确是有突出价值的[6]。就实践研究来看，为了保证电路的稳定性，在设计的时候需要在电路的相应位置上进行旁路电容和反馈电容的添加，这样，整个电路的运行稳定性会更加的突出。

基于光电二极管反偏的低噪声放大电路的具体设计图，结合设备元件的具体型号以及参数对电路中的具体数值进行分析，这样可以判断基于光电二极管反偏的低噪声放大电路设计是否满足具体的要求。从具体的计算结果来看，设计电路中的三极管静态增益为50，如果将电路的通频带设置为50MHz的话，基于具体的计算公式可以得出电路的输出噪声电压在10～20mV之间。在明确噪声电压的情况下进行电路的具体运行分析，同时测得无光和弱光条件下的电路输出噪声[7]。从具体的获得情况来看，输出的噪声电压，其峰值在20mV左右。如果将输出噪声等效为通频带内的白噪声，基于具体的计算公式可以获得噪声功率谱密度。通过对比分析发现最终所得的参数值均满足低噪声电路的基本要求。综合实践可知，基于相关原则设计的光电二极管反偏的低噪声放大电路在微弱光的情况下可以有效完成信号探测的目的。

5结束语

综上所述，光电检测电路在目前的信号检测实践中有着重要的应用，且发挥出了巨大的价值，所以在实践中肯定并发展光电检测电路有突出的现实价值。就目前掌握的资料来看，在信号比较弱的区域进行信号的探测，会因为噪声等原因出现探测不准确情况，这种情况出现对信号检测实际质量影响显著，所以需要积极进行噪声的分析，同时要强调噪声的规避。实践表明低噪声光电检测电路在实践中能够有效克服困难，实现对微弱信号的有效探测，因此在实践中需要强调低噪声光电检测電路设计与应用。文章基于光电二极管反偏的低噪声放大电路应用做相关的设计分析，旨在为实践提供指导。

参考文献

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[6] 褚理想，樊巧云.光电二极管的地球反照光校正及卫星姿态估计[J].北京航空航天大学学报，2019，45（4）：190-196.

[7] 杨赟秀，袁菲，路小龙.基于InGaAs盖革模式APD探测器的主动淬灭电路设计[J].半导体技术，2019（5）：329-334.