...C DC在接口电路与放大器的电路设计
孙茜怡++关钰
摘 要：以GaN光伏型紫外探测器输出的微弱电流信号为根据对探测器的前置放大电路进行设计，首先运用标准的电路理论建立了等效噪声模型，分析计算了电路中各个噪声源引起的噪声，导出了光电检测电路的信噪比输出公式，对影响光电检测电路输出信噪比的因素进行了详细的分析与研究；同时还给出了跨组放大器带宽与稳定性之间的关系，最后用multisim10软件的仿真印证了分析和设计的正确性。
关键词：紫外探测器；前置放大器；噪声；稳定性
中图分类号：TN72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0011-03
引言
空空导弹系统中多为红外制导和雷达制导。随着干扰手段的发展，单一的探测手段已经不能满足抗干扰的需求。于是，出现了双色探测器等多探测体制，如紫外/红外、紫外/激光、红外/激光等多种复合探测体制。继红外探测技术之后紫外探测技术成为又一重要的军民两用光电探测技术。相较于红外探测系统，紫外探测技术因其独有优势，受到了军方的关注。
正是因为军方的重視和紫外探测技术的独特性，本文开展紫外信号检测放大技术的研究，以此来确定一种更适合紫外信号的前放电路结构，并对它的噪声特性及抑制方法进行分析和验证。
1 紫外探测器
紫外探测器件主要分为点探测器和像探测器。半导体紫外探测器件因其体积小、过载高在军事中应用较多。本系统中采用GaN基紫外探测器，光谱响应区间在260～380nm，峰值响应波长为365nm。
在探测器应用中多采用PIN结构[2]，I层会加大耗尽层厚度。I层有更高的电阻相对于PN层，这里的反向偏压形成高电场区，加宽了光电转换的有效工作区域，使暗电流有所降低，提高了灵敏度，探测器的电容也有减小。
紫外探测多采取直接探测，所以在光信号功率小时，电信号输出相应也较小。一般在实际探测器的应用中，为了方便后续处理，通常使用前置放大电路将信号放大。紫外探测器中就要设计合理的前置放大电路，以保证探测系统能够在一定的输出信噪比下工作。
2 前置放大电路
微弱光电信号前置放大器，信号小，输入信噪比低，在空空导弹系统等军用系统中多有专门的低噪声放大器。
而在低噪声放大器的设计中，噪声水平、放大器的增益和放大器的带宽通常要依据其中的带宽综合考虑。
2.1 光电二极管的等效电路模型
紫外探测为直接探测方式。光信号功率小，紫外探测器的电信号输出也相应较小，在本设计中所采用的探测器芯片的响应较小，ID约为5nA左右，零偏阻抗100MΩ，结电容CJ≈50pf，等效电路[4]如图1所示。
它包含一个被辐射光激发的电流源，一个理想的二极管，结电容和寄生串联及并联电阻。IL为二极管的漏电流，ISC为二极管光电流，Rpo为寄生电阻，ePD为噪声源，结电容大致为20pf。
在本文的应用中，紫外探测器芯片工作在零偏置即光伏模式下。
在此模式下探测器芯片作为光电二级管可以非常精确的线性工作。零偏置条件下，无暗电流，二极管噪声等同分电路电阻的热噪声；反偏置条件下，则有暗电流产生附加噪声源。本文就要对这种光伏模式进行最优化设计。
2.2 光电检测电路设计
由于探测器工作状态时产生的是电流信号，在后续使用中要将它转换为电压信号，主放大器的作用就是对光电流进行I-V转换，并放大到所需要的值。
2.2.1 电流-电压转换电路分析和设计
本文所采用的光电转换电路为高灵敏度的电流-电压转换器，二极管偏执由运算放大器的虚地维持在零电压，短路电流即被转换为电压。电流电压转换电路如图2所示。
由于在最高灵敏度时该放大电路[5]必须能检测1nA的二极管电流，采用普通结构的电流电压转换器会使反馈电阻非常大，例如对于1nA的二极管电流，要求输出0.1V的电压，则需要100MΩ的偏置电阻，而电阻是对总输出噪声影响最大的因素之一。这对系统噪声的影响是不可想象的。
该主放大器的输出VO=-k1Rfid
k1=1+R1/R2+R1/Rf
可见这个电路是靠倍乘因子k来增加R的，于是我们基于一个合理的R值，依靠倍乘因子k来提高灵敏度。
针对本电路为了实现0.1nV/nA的灵敏度，由式可知k1Rf=0.1/10-9=100M？赘，这是一个相当大的值，为了不至产生太大噪声，由Rf=1M？赘出发，然后乘以100以满足技术指标，因此，1+R1/R2+R1/106=100。在采用R2=1k？赘时，可得R1≈99k？赘（用最接近标准值的100kΩ）
2.2.2 前置放大电路的噪声分析
外部噪声（系统的外界干扰）和内部噪声（光电系统本身产生的噪声，是光电检测器件和检测电路的器件固有噪声）为光电检测电路的主要噪声来源。
外部噪声要通过外部手段控制，本文中我们主要研究通过选择电路元件和合理的电路设计来减小内部噪声，提高系统的检测精度。
光电二极管、前置放大电路构成了光电检测电路，它的噪声模型如图3所示：
Isc：光电二极管的光电流；Ins：光电二极管的散粒噪声电流；Ind：光电二极管内阻产生的热噪声电流；Cd：光电二极管的结电容；En、In：放大器的等效输入噪声电压和等效输入噪声；Unf：反馈电阻Rf和R1产生的热噪声电压。其中：
I2ns=2eIsc△f，△f为电路的通频带；
I2nd=4kT△f/Rd
U2nf=4kTRf△f
由此：
由上面的公式[6]得出，反馈电阻Rf和R1和输出信噪比成正比。要想提高输出信噪比和信号增益，需要提高Rf和R1的阻值。所以我们可以选择阻值大、噪音小的金属膜电阻。
此外，输出信号电压幅度的也限制Rf和R1的选择，还应根据光电流的最大值来确定Rf的大小。
电路的通频带△f和输出信噪比成反比。电容Cs与Rf并联就是为减小电路的通频带。它们构成一个高频截止频率为1/2？仔RfCs的滤波电路。直流和低频，信号增益不变；频率超过1/2？仔RfCs时，信号增益下降信号幅度线性失真，因此电路的通频带△f=1/2？仔RfCs。
Rf和Cs和通频带也成反比。如果电路的通频带太小会造成输出信号频率失真；如果Cs太大，系统响应会变慢；Cs也有消除自激震荡的作用。
2.2.3 集成运算放大器的选用
考虑集成运放的等效输入噪声电压En和等效输入噪声电流In，同输出信噪比成反比。故应选用En和In小的低噪声和低偏置电流的集成运算放大器。
场效应管为输入级的运放具有开环输入阻抗高、输入偏置电流小和不随温度变化的优点，适合选用。同时，提高開环放大倍数，使光电二极管在无偏压状态工作；其次，选用的集成运放的失调电压和电流应较小。
由于要精确测量纳安级的光电流，运算放大器的偏执电流不应该大于数纳安，并且放大器本身引入的噪声要非常小，这就大大缩小了选择的余地。
我们最终采用了噪声低，精密，输入为FET的AD795k型运算放大器。它具有两种优势：（1）双极型输入运算放大器的低电压噪声和低失调漂移；（2）FET输入器件的极低偏置电流。
其性能参数为：
失调电压：在25°C时，最大为250uv，
失调电压漂移：最大为3uV/°C
输入偏置电流：在25°C时，最大为1PA
0.1～10HZ 电压噪声2.5uVp-p
1/f转折频率12Hz
电压噪声：在100Hz处为10nV/√Hz
电流噪声：在100Hz处为0.6fA/√Hz
在±15V时的功耗为40mW
增益带宽乘积1MHz
2.2.4 前置放大器稳定性分析
考虑光电二极管小信号模型后，完整的前置放大电路如图4：
该系统的传输函数[7]为：
其中，Aol（j？棕）为放大器开环环路增益；？茁为反馈系数，即1/（1+Zf/Zin）；Zin为分布式输入阻抗
展开后可得：
式中
由于Rd远大于Rf，故fz 图中显示了Aol（j？棕）曲线与1/？茁曲线在fx处相交，且在交点处|Aol？茁|=1。放大器需在工作中不振荡、稳定。工程应用上，要求相位裕度？准m>>4/？仔，当？准m=4/？仔时，fp=fx。放大器在系统稳定的前提下，要得到最大带宽，可令： 式中：可以求得GBW为运放的增益带宽积。最终可求得： 对于更大的相位裕度，这个电容值还会增大，但也会降低I-V转换器的带宽。 3 电路仿真计算 利用multisim10 软件[8]对图5所示电路进行仿真分析。 交流仿真结果如图6所示。 噪声分析如图7所示。 4 结束语 本文推出了光电检测电路信噪比的公式，并对光电转换电路的稳定性进行了详细的研究，总结了设计低噪声光电检测电路的方法。 某预研项目中，根据本文讨论的方法设计的前置放大器已有应用，我们可以看到实际测试结果达到了预期效果，所以此设计方案可行。不足之处在于，本设计中印刷板本身带来的寄生电容问题。这就要求我们必须小心布线以控制寄生电容；另外，可在输出端增加滤波器，以减小系统噪声。 参考文献： [1]Gil Tidhar， Raanan Schlisselberg. Evolution Path of MWS technolo gies： RF， IR and UV[J]. Proceedings of SPIE，2005，5 783：6622673. [2]Degnan J J. Theory of op timally coup led Q2switched laser 220. [J]. IEEE J. Quantum Electron.， 1989，25（2）：2142. [3]孙培懋，刘正飞.光电技术[M].北京：机械工业出版社，1992. [4]何俄章.线性测量系统中光电探测电路的设计[J].达县师范高等专科学校学报：自然科学版，2000，10（2）：109-111. [5]赛尔吉欧·弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M]. 西安交通大学出版社，2005. [6]王立刚.低噪声光电检测电路的研究与设计[J].电测与仪表，2007（8）：63-65. [7]马鑫.光电二极管电参数模型及I/V转换稳定性分析[J].哈尔滨工业大学学报，2009（7）：89. [8]将卓勤.Multisim2001及其在电子设计中的应用[M].西安电子科技大学出版社，2003.
