光电探测器前置放大电路设计与研究
2020-12-01 10:23:45 | 技术支持          浏览量:185

  光电探测器将微弱的光信号转换成为电流信号, 然后再经过放大电路将电流信号转换成电压信号, 由于电流信号比较微弱, 只有经过有效的放大之后才能够对其记录下来, 前置放大电路就可以实现这一功能, 但是如果前置电路设计的不合理将会对掺杂进来的噪声信号等进行放大,从而影响了电流的质量, 因此本文就光电探测器前置放大电路的设计与研究具有重要意义。

1 光电探测器的工作条件

      ( 1 ) 说明偏置情况。光电探测器基本上都需要在某种形式的偏置条件下工作。比如光电磁探测器的偏置是磁场,而电阻测辐射热气以及光电导探测器则需要直流偏置电源。探测器的噪声与信号通常和偏置的情况有关系, 所以一定要注明偏置情况。( 2 ) 光敏面面积。光敏面的尺寸面积也影响探测器的噪声与信号, 通常情况下, 光敏面的面积与探测器的信号噪声成一定比例。( 3 ) 工作温度。大部分探测器, 工作温度都会影响到其噪声与信号, 其中由半导体材料制成的探测器最为明显。因此, 一定要明确探测器的工作温度。常用的工作温度有:液氢温度(22. 4K)、液氯温度 (4.2K)、液氮温度(77K)等。(4)电路的宽带与通频带。由于噪声的影响使得探测器失去了极限性能, 噪声的电流与电压都与宽带的平方根成正比例, 因此在对探测器的性能进行描述的时候, 一定要确定电路的带宽与通频带。( 5 ) 辐射源的光谱分布。大部分光电探测器的响应信号都与辐射源的波长有关系, 他们都是对特定范围内辐射波长信号有响应, 其中光子探测器表现最为突出。对于依赖于信号辐射波长的光谱响应特点, 决定了探测器对探测目标进行探测的有效程度。因此在确立探测器的性能的时候, 需要明确需要测定的辐射源的光谱分布。如果辐射源属于黑体, 那么就要明确黑体的温度, 如果辐射源属于单色辐射, 那就就要明确单色波源的波长; 如果对辐射进行调制, 那么就要给出调制的频率。

2 三种探测器前置放大电路的设计

  2.1 光电倍增管前置放大电路的设计

        P M T 即光电倍增管, 它的工作流程为: 当光阴极受到光源照射的时候, 就会向真空当中发射出光电子, 射出的光电子在聚焦极电场的作用下运动到倍增系统当中, 经过二次发射以后倍增明显增大, 增大后的电子受电场力的作用运到到阳极, 阳极收集电子作为信号输出。由于光电倍增管是被加上高电压的电子管, 如果有高压输出, 那么很容易出现问题, 因此为了保证签字放大器工作的安全, 需要设计具有保护效果的晶体管与电阻, 形成保护回路[ 1 ] 。

  2.2 硅光电池前置放大电路设计 

      ( 1 ) 光电池以开路形式输出电路。硅与硒这两种光电池最大的输出电压都不会比0 . 6 V高, 并且它们输出的电压与光照之间的线性关系也不明显。在想获得高输出电压但是对线性关系没有较高要求时, 便可利用高输入阻抗的前放, 此时的光电池就接近于开路。第一级由V T 1 与V T 2 组成,VT1与VT2都是低输入阻抗的场效应管,将VT2与源级跟随器相连接, 在恒流的环境下工作, 不仅提高了电路的线性而且还增强了输入阻抗,最大可达到1 0 9欧。( 2)光电池以电流形式输出的电路。如果在进行光电检测的时候对线性关系要求比较高, 那么应该利用低输入阻抗的电路来实现放大的工。与光电倍增管当中经常使用的电流- 电压变换器相类似的电路形式, 放大器的输入电阻与光电池的内阻比起来, 就相当于短路, 经过放大之后, 其线性关系将会有很好地改良。

  2.3 PIN光电二极管前置放大电路设计

  这类二极管的在工作原理上与普通的二极管差不多,都是在P N 结光电效应的基础上工作的。不同的地方是在结构上, 其中有一层比较厚的本证半导体掺杂在N 型半导体与P 型半导体当中。这样使得长波的灵敏度以及量子效率都有了很大的提高, 除此之外由于I 层比较厚的特点, 在进行反偏下工作的时候它可以承受比较高的反向偏压, 从而拓宽了线性输出范围。所以, 根据P I N 光电二极管的长波响应率大、灵敏度高、响应速度快的特点, 可以选择两种类型的放大电路, 分别是: 高速响应放大电路与电流放大型I - V 转换电路[ 2 ]。

3 影响前置放大电路精度的几个因素

  ( 1 ) 工作环境。光电探测器前置放大电路在实际的工作过程时, 应该将其放在接地屏蔽盒中, 以免有外界的电磁对其进行干扰。( 2 )布局布线。在设计电路的时候为了确保为后级能够提供稳定可靠的信号, 必须要严格按照信号的流程进行布局, 不可出现前、后级的线串绕的情况, 以免有大小信号偶合的现象。( 3 )温度补偿。通常情况下光电探测器都要设置温度补偿电路, 尤其是雪崩光电二极管最为突出。必要的时候在前置放大电路当中也应设计温度补偿电路。

4 结语

  通过对光电探测器前置放大电路的设计与研究, 得知设计的前置放大电路应该具备低输入阻抗、高增益等性能特点, 并且设计时还应该考虑到运算放大器的带宽、环境因素等对前置放大电路的影响, 这样才可使得所设计的前置放大电路的功能性质能够达到最佳状态。

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