光電探測器電路用于對光電轉(zhuǎn)換器件輸出的微弱電壓或電流信號進(jìn)行放大、處理和整形輸出。對于不同探測用途而采用的光電轉(zhuǎn)換器件不同，與之配合使用的光電探測器電路性能也因此而不同。如果用來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，則重點(diǎn)考慮的是器件的光電轉(zhuǎn)換效能和匹配方式。這里介紹一種用雪崩光電二極管(APD)與光電探測器電路匹配使用的最佳方法。針對如何提高光電信號前置放大器信噪比這一關(guān)鍵問題，進(jìn)行了分析和實(shí)踐。在設(shè)計(jì)電路過程中，除了電路結(jié)構(gòu)的考慮外，對工藝的考慮也是必須的。由于電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)考慮周全，設(shè)計(jì)的光電探測器電路信噪比高。這里還介紹通過用自制的噪聲發(fā)生器對光電探測器電路進(jìn)行定量的分析，測算出探測器的增益和信噪比。該研究是設(shè)計(jì)滿足各種光電信號轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)重要步驟。
1 器件的選擇
1．1 提高APD的光電轉(zhuǎn)換效能
雪崩光電二極管(Aualanche Photo Diode，APD)的光電轉(zhuǎn)換效能主要是對信號有倍增作用，它比一般光電二極管的功率電平所產(chǎn)生的響應(yīng)高幾十或幾百倍。倍增與偏壓有關(guān)，反偏壓越大，倍增G也越大，如圖1所示。一旦電壓達(dá)到某個(gè)值，APD會(huì)被擊穿，此電壓就是雪崩電壓VB。設(shè)置APD的工作點(diǎn)一般略小于VB，如圖2所示。
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未調(diào)制時(shí)，由平均光通量P0所產(chǎn)生的散粒噪聲引起的電流波動(dòng)Ic可表示為：
對噪聲源模型的特征和噪聲進(jìn)行分析。當(dāng)信號光強(qiáng)度取最大振幅值Pmax時(shí)，電流值Jsmax為： |
一般用作高靈敏度電子探測設(shè)備的光電探測器前置放大電路，噪聲系數(shù)要求很嚴(yán)格。因?yàn)樵诜糯笪⑷跣盘柕膱龊?，放大器自身對噪聲的放大和受噪聲信號的干擾可能很嚴(yán)重，光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱，而且光探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中，因此，要對這樣的微弱信號進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。因此，希望減小噪聲以提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常有幾種噪聲系數(shù)的影響。
考慮Johnson噪聲折合成起伏電流為：
以及結(jié)型場效應(yīng)管噪聲主要導(dǎo)電溝道的電阻所產(chǎn)生的溝道熱噪聲：
還有幾種柵極感應(yīng)噪聲、柵極散粒噪聲、1／f噪聲。由于高頻等因素，在一般情況下可以忽略不計(jì)。
由此，得到了圖4相應(yīng)的簡化噪聲等效電路，如圖5所示。同樣可以將式(2)寫成電流表示形式：
由圖5可知：
由于實(shí)際電路中1／R2≤ω2(Co+Ci)2，所以1／R2可以不計(jì)。將|Y|2=ω2(Co+Ci)2代入式(3)，并將式(2)代入式(3)，得：