如何设计一个高增益的光电探测器电路？

　　光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出。对于不同探测用途而采用的光电转换器件不同，与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。如果用来进行光电转换，则重点考虑的是器件的光电转换效能和匹配方式。这里介绍一种用雪崩光电二极管（APD）与光电探测器电路匹配使用的最佳方法。针对如何提高光电信号前置放大器信噪比这一关键问题，进行了分析和实践。在设计电路过程中，除了电路结构的考虑外，对工艺的考虑也是必须的。由于电路结构设计、工艺设计考虑周全，设计的光电探测器电路信噪比高。这里还介绍通过用自制的噪声发生器对光电探测器电路进行定量的分析，测算出探测器的增益和信噪比。该研究是设计满足各种光电信号转换电路的一个重要步骤。
　　1 器件的选择
　　1．1 提高APD的光电转换效能
　　雪崩光电二极管（Aualanche Photo Diode，APD）的光电转换效能主要是对信号有倍增作用，它比一般光电二极管的功率电平所产生的响应高几十或几百倍。倍增与偏压有关，反偏压越大，倍增G也越大，如图1所示。一旦电压达到某个值，APD会被击穿，此电压就是雪崩电压VB。设置APD的工作点一般略小于VB，如图2所示。
　　
　　
　　未调制时，由平均光通量P0所产生的散粒噪声引起的电流波动Ic可表示为：
　　
　　由于热噪声和放大器内部产生的噪声引起的电流波动Ib为：
　　对噪声源模型的特征和噪声进行分析。当信号光强度取最大振幅值Pmax时，电流值Jsmax为：
　　
　　
　　利用这些公式可以计算由光信号变换成电信号时的信噪比为：
　　
　　因为光电检测器内部阻抗很大，可看作电流源，所以若检测器的负载阻抗大的话，则Ib2就下降，结果使得SNR增加，所以一般负载电阻取得较大，但不能太大。若加大负载电阻，则放大器输入端的时间常数CR对频带的限制增强，高频信号成分受到抑制，而这两方面的需求却是互相制约，互相矛盾的。然而，Ib2的减小所引起SNR的增加与高频信号衰减所引起SNR下降可得到补偿。要放大频率在10 MHz范围内的信号，光电检测器与APD配合使用的前置放大器件选用输入阻抗大的结型场效应管较为有利，上述分析就为设计光电探测器电路系统奠定了选择。
　　1．3 噪声对光电探测器电路的影响
　　一般用作高灵敏度电子探测设备的光电探测器前置放大电路，噪声系数要求很严格。因为在放大微弱信号的场合，放大器自身对噪声的放大和受噪声信号的干扰可能很严重，光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。因此，希望减小噪声以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常有几种噪声系数的影响。
　　考虑Johnson噪声折合成起伏电流为：
　　
　　以及结型场效应管噪声主要导电沟道的电阻所产生的沟道热噪声：
　　
　　还有几种栅极感应噪声、栅极散粒噪声、1／f噪声。由于高频等因素，在一般情况下可以忽略不计。
　　由此，得到了图4相应的简化噪声等效电路，如图5所示。同样可以将式（2）写成电流表示形式：
　　
　　
　　由图5可知：
　　
　　由于实际电路中1／R2≤ω2（Co+Ci）2，所以1／R2可以不计。将|Y|2=ω2（Co+Ci）2代入式（3），并将式（2）代入式（3），得：
　　
　　
　　若输入端信号电流为Is，则信噪比为：
　　
　　2 光电探测器电路设计
　　综上所述，需要设计一个高增益的光电探测器电路。为了使光电探测器能高精度地检测及传送微弱信号，一个重要的措施就是选择具有抗强干扰的低噪声前置放大器。该前级部分由雪崩光电二极管（APD）与前置放大器组成，这也是光电探测器电路的核心部分，其器件选用高性能、低噪声放大器来实现电路匹配，并将电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。理论上看，前置放大器倍数可以设计得很大，但由于会引入热噪声而限制电路的信噪比，因此前置信号也不能放得过大。在前置放大器后再加人运算放大器，这样就不会造成信噪比下降，并保证了光电探测器电路的放大倍数。其中，低噪声放大器对整个接收系统的性能指标起着关键作用，设计出性能好的放大器可以带来10 dB的噪声改善。为降低放大器的噪声，应选用高跨导（gm）低噪声结型场效应管。由于选用APD作为光电转换器，要克服噪声的影响，应注意减少寄生效应，如寄生电容效应等。要最大限度地降低极间电容的影响，应注意装配工艺设计，减小APD的输出电容Co和放大器的输入电容Ci。其优点是适合高速应用，并能大大降低探测器的极间电容C，极间电容的降低对光电转换电路噪声的降低将有重大的意义。
　　负载电阻要取得较大，这样SNR会高一些，但R也不能取得过高，因R过高SNR增加并不显著，反而使高频校正困难。将前置放大器电路第一级T，组成共源放大器，这样电路不仅有电流放大，而且有电压放大作用，因此功率增益比较高，而且电路容易实现，调整也很方便。电路的版图设计也十分重要，版图设计时将电路中相对应的部分按照对称分布布局，相应的管脚也按照对称布局。经过综合处理后，使电路SNR得到进一步提高。
　　3 电路测试
　　3．1 光电探测器输出频率特性和增益的测试
　　测量时，信号发生器送出一个20 mV的模拟信号，用一个22 kΩ和一个50Ω的电阻分压，将其20 mV信号衰减4 400倍后为4．5μV，送到被测放大器输入端。将信号发生器的频率从10 kHz～3 MHz逐级变化，同时记录被测波形幅度的大小，将测量的每个点连接起来，绘出放大器输出频率特性。再测放大器增益，以频率f=1 MHz时为例，示波器测得输出波形幅度约为1．8 mV。
　　输出／输入△1．8 mV／4．5μV=400
　　3．2 光电探测器等效输入噪声的测试
　　利用噪声发生器法测量前置放大器等效输入噪声。用自制的简易噪声源电路产生0～1 V电压为带宽白噪声。校准噪声源表示成一个与APD内阻Rs串联的噪声发生器，一般取Rs=100 kΩ左右。系统的等效输入噪声相加为Eni，放大器和发生器的噪声测得为Eno。
　　
　　提高噪声发生器电压Eng，使输出噪声功率增大一倍所必须的噪声发生器噪声电压等于放大器等效输入噪声，用这种方法来测量光电探测器的等效输入噪声，按照下列步骤进行测量：
　　（1）不加输入噪声发生器，用均方根值表测量被测放大器总输出Eno；
　　（2）加噪声发生器，调节电位使被测光电探测器前置放大器总输出为原来的2倍噪声电压，即2Eno，也就是提高了3 dB；
　　（3）此时测得的噪声发生器产生的电压就等于放大器的等效输入电压Eni。
　　噪声发生器法测噪声，其特点是简单易行，且能测定多种混杂的随机噪声，又克服了示波器波形观察峰一峰值读取容易因人而异出错的缺点。此外，由于自制简易噪声发生器电路容易实现，所用仪器少，且测量较为准确。
　　4 实验结果
　　4．1 光电探测器输入信噪比
　　表1为用噪声发生器法测得的一组噪声电压数据。
　　
　　由表1中测量数据可观察到，测得的噪声仍可能受到外界的影响。这里要特别强调的是，由于所测试的地点实验室比较集中，干扰源也有可能会相对多一些，要尽量排除各种干扰因素的存在。尽管电路已采取了屏蔽，而且对噪声发生器和放大器间的连接也采取了短线近连等措施，但为了排除外界干扰，要使得测量数据更准确，在测量时间上还是采用了午夜测量。
　　测量数据选用平均值，将测得的Eni=0．45μV作为APD探测器光电信号前置放大器的等效输入噪声。其结果数据对计算探测器光电信号前置放大器输入信噪比，以及做APD的有关噪声实验提供了十分重要的参数。
　　通常信号电流为0．001μA，在负载电阻上信号电压近似为0．001μA×100 kΩ=0．000 1 V。
　　
　　4．2 光电探测器输出幅频特性
　　使用5020示波器测量前置放大器在0．01～3 MHz的输出频率特性，曲线较为平坦，如表2所示。
　　
　　将XDll多用信号发生器送4．5μV信号，以频率f=1 MHz为例测得的输出波形幅度为1．8 mV。
　　
　　如果APD的可得增益范围从最佳增益80 dB至最小容许增益6 dB，相当于电信号动态范围22．5 dB，那么整个APD探测器光电信号前置放大器总的动态范围电信号应为73．8 dB。
　　5 结 语
　　本文以光电器件与光电探测器前级的最佳匹配，降低光电探测器前级的噪声系数为出发点，介绍了在要求较高的光探测场合，前置放大器第一级选用低噪声的分体器件设计的方法。还介绍了通过自制的噪声发生器，对光电探测器前置放大器的等效输入噪声进行了测试，从而获得了信噪比这个重要参数。通过对APD光电探测器的上述理论分析和实验结果验证，该APD光电探测电路具有噪声系数小，信噪比高，结构简单，易于调试等优点。为设计其他要求较高的低噪声光电探测电路系统提供了经验。