微弱光电流信号放大器的设计

第 31 卷 第 7 期 核电子学与探测技术 Vol． 31 No． 7 2011 年 7 月 Nuclear Electronics ＆ Detection Technology July． 2011 微弱光电流信号放大器的设计 杨 茂，胡立群，段艳敏，毛松涛 (中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031) 摘要:针对等离子体物理实验装置托卡马克(EAST)实验中微弱信号的探测需要，结合 EAST 的恶 劣电磁环境以及光电检测电路的基本工作原理，设计了一种实用的光电弱信号电流放大器。电路由前 置电流放大器、有源滤波放大电路构成，结合电磁兼容技术对信号进行接地和屏蔽，以及合理布线，旨在 保证增益和带宽的同时降低噪声。实验表明，基于本设计的光电电流放大电路可有效测量微弱信号，在 强电磁场高噪声源中仍然有较好的信噪比和良好的稳定性。 关键词:光电探测器;前置电流放大;有源滤波;低噪声;电磁兼容 中图分类号: TL 821 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2011)07-0734-05 收稿日期:2011 － 03 － 30 基金项目:国家自然科学重点基金项目(10935004)。 作者简介:杨茂(1986 －) ，男，江西赣州人，在读硕士 研究生，研究方向:光电信息检测。 磁约束是研究受控热核聚变能的一种途 径，它利用强磁场可以很好地约束带电粒子这 个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应 堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温， 实现聚变反应。EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)是中科院等离子体物 理所自主研制的全超导非圆截面托卡马克核聚 变实验装置。EAST 的成功建成使中国磁约束 聚变进入国际前沿，为中国参加 ITER 做出重 要贡献，同时为中国聚变能的进一步发展奠定 了重要的基础［1］。 在托卡马克高温等离子体研究中，测量等 离子体中各个波段的辐射强度和辐射功率是基 本诊断手段之一，经常采用半导体光电探测器 将接收到的辐射信号转化为电流，再通过跨阻 放大器和有源滤波器将电流信号转换成可以测 量的电压信号。例如，软 X 射线诊断和辐射量 热(AXUV，Absolute extreme ultraviolet)就是采 用这种方式进行探测。光电探测器通过光电效 应来捕获光的辐射能量，输出微弱的电流信号， 实现了光信号到电信号的转换，也就是从非电 信号到电信号的转换。由于探测器输出的电流 信号很微弱，必须对信号进行放大然后再传输， 加上背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响， 要输出精确的放大电压输出信号有较大的难 度。因此，设计中，在保证增益和带宽的同时， 如何提高电路系统的抗干扰能力，保证良好的 信噪比，是设计的关键。 1 光电探测系统的结构 光电探测器通过光电效应，接收光辐射产 生电流信号，再通过屏蔽电缆传送给前置电流 放大器。由于光电探测器所产生的电流信号一 般都非常微弱，而且信号处于强电磁场高噪声 环境中，因此，要得到有用的探测信号，要对输 出的微弱电流信号先进行预处理，以将大部分 噪声滤除掉，同时将信号放大到采集电路所要 求的电压幅度。所以，光电探测电路由前置电 流放大器，滤波和电压放大电路组成，结构框图 如图 1 所示。 此处主要讨论的是模拟部分的设计。 437 图 1 光电探测系统的结构图 2 前置电流放大器的设计 电流放大器，是一个电流———电压转换器 (I － V转换器) ，也称为跨阻放大器，它接受来 自光电探测器的微弱电流 iI，并输出 vo = AiI 的 电压信号，A是电路增益，单位是 V /A。电路设 计主要从两个方面考虑，一是电路形式，二是器 件的选择。 2. 1 基本 I － V电路选择 光电二极管的光探测方式有两种结构，一 种是光导模式，在这种模式下，需给光电二极管 加反向偏置电压，存在暗电流，由此会产生较大 的噪声电流，有非线性，通常应用在高速场合; 另一种是光伏模式，在这种模式下，光电二极管 处于零偏状态，不存在暗电流，有较低的噪声， 线性好，适合于比较精确的测量。两种模式如 图 2 所示。 (a)光导模式 (b)光伏模式 图 2 光电二极管的基本工作电路 这里采用第二种模式，即光伏模式，以满足 测量的高精度和低噪声的要求。 假设图 2(b)中运算放大器是理想的，则可 得到: vo = － RiI 可见，电路增益 A = － R。 2. 2 噪声分析 上式 vo = － RiI 是理想情况下的结果，分析 实际电路时，必须考虑到电路中光电二极管的 结电容、元件的杂散电容及电路的主要噪声源 等因素的影响。光伏模式下，电路的噪声模型 如图 3 所示［2］。 图中，光电二极管对辐射的响应是电流 is， R1 和 C1 代表二极管和运算放大器的反相输入 端对地的复合电阻和复合电容，C2 代表 R2 的 杂散电容。 通常 C1C2，R1R2。 信号增益 As = Vo / Is，噪声增益 An = eno / eni。 图 3 光伏模式 I － V转换器的噪声模型 为了得到 As 和 An，需要求出反馈因子 β = Z1 / (Z1 + Z2) ，此处 Z1 = R1 | |(1 / j2πfC1) ，Z2 = R2 | |(1 / j2πfC2)。代入可得: 1 β = (1 + R2 R1 ) 1 + jf / fz 1 + jf / fp fz = 1 2π(R1 | | R2) (C1 + C2) ，fp = 1 2πR2C2 1 /β函数的低频渐进线为 1 /β0 = 1 + R2 / 537 R1，高频渐进线为 1 /β∞ = 1 + C1 /C2，两个转折 点在 fz 和 fp。交叉频率 fx = β∞ fl，因此噪声增益 An =(1 /β) (1 + jf / fx) ，即: An = (1 + R2 R1 ) 1 + jf / fz (1 + jf / fp) (1 + jf / fx) (1) 当 a→∞时，信号增益 As(ideal)= R2 /(1 + jf / fp) ，因此信号增益: As = R2 (1 + jf / fp) (1 + jf / fx) (2) 当 C1C2 时，噪声增益曲线上有一个明显 的峰值，在 R2 上并联一个电容 Cf 可以降低这 个峰值，也相当于给电路进行了相位补偿，反馈 因子 β增加了一个零点，有利于提高系统的相 位裕度，增加了系统的稳定性。Cf 远大于 R2 的杂散电容 C2，将 C2 忽略，则电路的反馈电容 为 Cf。 此 时， 转 折 频 率 fz = 1 2π(R1 | |R2) (C1 + Cf) ，fp = 1 2πR2Cf ，高频渐进 线 1 /β∞ = 1 + C1 /Cf。由噪声增益公式(1)和信 号增益公式(2)可以得到电流放大器的幅频特 性图，如图 4 所示［3］。 图 4 光伏模式 I － V转换器的幅频特性 由图 4 可知，信号电流 Is 在直流和较低频 率时变换系数为 R2，随着频率的增加，反馈电 容 Cf 的作用开始表现出来，信号电流的放大倍 数开始下降，转折频率为 fp = 1 /2πR2Cf。而噪 声电压增益则与信号电流增益完全不同，在直 流和较低频率时，噪声的放大倍数为 1 /β0 = 1 + R2 /R1，接近于零，随着频率的增加，在转折频 率 fz = 1 /2π(R1 | | R2) (C1 + Cf) ，噪声增益开始 增大，直到 fp = 1 /2πR2Cf 达到稳定最大值 1 / β∞ = 1 + C1 /Cf。可见，在保证电流增益的情况 下增大带宽，则要选择较小的反馈电容 Cf，为 了减小噪声电压增益，则要增大 Cf，这是带宽 和噪声的一对矛盾。为了解决这个矛盾，由图 4 知道，信号电流增益下降的转折频率 fp 正好 是噪声电压增益达到最大值的频率，f ＞ fp 时， 电流增益下降，而噪声增益却保持最大值，这 样，可以在后级电路中加入带宽为 fp 的低通滤 波器来滤除 f ＞ fp 的噪声，而对电流信号增益带 宽却不会产生影响。 除了运放带入的噪声外，反馈电阻 R2 的热 噪声也是一个重要的噪声源。电阻的热噪声 UT 输出取决于电路的实际通频带 Δf，UT = 4kTR2Δ槡 f，式中，k 为波尔兹曼常数，T 为绝对 温度，Δf为噪声频带，可见，UT 与 R槡 2成正比。 设计中，R2 两端并联了 Cf，此时并联 RC 电路 对噪声的影响，相当于使电阻热噪声的频谱分 布由白噪声变窄为等效噪声带宽，Δfe = 1 / (4R2Cf)。此时 RC 电路的热噪声 UT = 4kTR2Δf槡 e。 2. 3 阻抗匹配 由于实际放大器存在输入偏置电流 IB 和 输入失调电流 IOS，并且由于温漂的影响，即使 探测器输出电流为零，放大器还是会有误差电 压信号输出。为了减小 IB，IOS和温漂的影响， 不能将放大器的同相输入端直接接地，而是应 加入匹配电阻和匹配电容的并联电路，使放大 器的同相输入端和反向输入端具有相同的阻 抗，形成对称的差分结构，这样可以将噪声减到 最小［4］。匹配电阻 Rp = R2 | | R1R2，匹配电容 Cp = Cf | |C1 = C1 + Cf。 2. 4 器件的选择 运算放大器的选择:影响微电流放大器精 度的首要因素是运放的输入偏置电流 IB 和输 入失调电流 IOS，其次是噪声电压和零点漂移。 要得到噪声小精度高的输出电压，运算放大器 必须满足 IB 和 IOS远小于光电探测器的输出电 流，输入阻抗 Ri 大于反馈电阻 R2，增益和共模 抑制比高，失调电压及温漂小，噪声小。这里， 选择 LF356N。LF356N 是 JFET 输入运算放大 器，具有很低的输入偏置电流(30pA) ，很低的 输入失调电流(3pA) ，极高的输入阻抗(1012 Ω) ，很低的输入噪声电流( 槡0． 01 pA / Hz) ，很 低的输入噪声电压( 槡15 nV / Hz) ，很高的共模 抑制比(100 dB) ，很高的直流电压增益(106 dB)。 电阻的选择:采用误差小的贴片式金属薄 637 膜电阻(误差为 ± 0． 1%)。 电容的选择:采用温度特性好的贴片式独 石电容。 3 滤波和电压放大电路的设计 前面提到，为了减小噪声，同时又不影响信 号的带宽，需要在后级加入带宽为 fp 的低通滤 波器。在前置放大器和低通滤波器之间的耦合 方式上，采用直接耦合，因为这里所需要的频率 在 100 kHz左右，直接耦合能满足需要。同时， 为了得到更高的信号增益，前置电流放大器的 后级还需加入一个电压放大器。采用 KRC 二 阶低通滤波器，可以实现低通滤波和电压放大 图 5 KRC低通滤波 两个功能。KRC低通滤波器如图 5 所示。 通过计算，有: H(jw)= V0 V1 = K 1 1 － w2R3C3R4C4 + jw［(1 － K)R3C3 + R3C4 + R4C4］ 其中 K = 1 + RB RA 。K 就是通带电压放大倍 数。 令 R3 = R4，C3 = C4，则: H(jw)= K 1 1 － w2R23C 2 3 + jw［(1 － K)R3C3 + 2R3C3］ 令 w2R23C 2 3 = (w /w0) 2，则 w0 = 1 R3C3 ，即 fp = f0 = 1 2πR3C3 。 4 电磁兼容性的设计 EAST实验环境是强电场强磁场的环境， 由于电磁场环境极其复杂，各种频率的噪声源 很多，此外，软 X 射线和 AXUV 信号都有几十 路，每一块放大器电路板也有 9 路放大器，如何 在复杂的电磁场、多路信号同时测量的条件下 得到高增益高带宽和低噪声的信号，必须考虑 系统电磁兼容性的设计。 (1)屏蔽。传输线采用屏蔽性好的同轴电 缆，并使传输线在可能的情况下尽量缩短。电 路板必须使用金属外壳的屏蔽盒来屏蔽，并把 整套设备放入屏蔽柜里面，相当于二次屏蔽。 (2)电源。使用稳定性好的稳压电源给放 大器供电，以减小由于电压震荡引入噪声。 (3)接地。所有的屏蔽盒外壳，屏蔽柜外 壳，转接柜外壳都要相连，电路的地线要确保与 屏蔽盒相连，传输线同轴电缆的屏蔽层要与端 接口相连，端接口与屏蔽盒相连，最后单点接 地。这样能让地噪声减到最小。 (4)放大器输入保护的设计。当采用具有 极低偏置电流的运放时，为了充分实现这些器 件的能力，需要注意接线盒电路的装配，最主要 的是 PCB板上的漏电流，很容易超过 IB。在环 绕输入管脚采用保护环可以显著削弱漏电流的 影响，保护环也充当一个屏蔽作用，抑制噪声拾 取。保护环布局和连接如图 6［5］所示。 图 6 保护环布局与连接 5 实验应用结果分析 使用 EAST 实验的 shot36624 中的探测得 到的辐射量热(AXUV)信号进行放大，相邻两 道作为对比，两道输出信号定义为 A 和 B。A 信号采用的是本文设计的放大器，B 信号是原 来采用的放大器。实验测得数据如图 7 所示。 由实验数据可知，放大器的增益从原来的 1* 106增大到 2* 106，带宽从原来的 10 kHz增 737 大到 100 kHz，噪声从原来的 100 mV减小到 20 mV，这给 EAST实验提供了更为精确的数据和 更多的细节信号数据用于核聚变理论和实验的 研究。 图 7 EAST实验数据 (shot 36624 CXUV5V，CXUV6V) 6 结束语 在 EAST实验环境下，本设计较好地实现 了软X射线和XUV信号的放大，提供了较为 精确的数据用于核聚变实验的研究。本设计的 电路性能稳定，精度较高，可有效地测量微弱光 电流信号，不仅可以用于 EAST实验，同时也用 于一般性的光信号放大。 参考文献: ［1］王勇．磁约束核聚变中微弱信号处理及电磁兼容研 究［D］．北京:中国科学院研究生院博士学位， 2009． ［2］Photodiode Monitoring with Op Amps，BB Application Bulletin，Printed in USA，January，1995． ［3］刘卫东，刘延冰，刘建国．检测微弱光信号的 PIN 光 电检测电路的设计［J］．电测与仪表，1999，36(4) : 28 － 30． ［4］何瑾，刘铁根，孟卓，等． 弱光强信号检测系统前级 放大电路的设计［J］． 科学技术与工程，2007，9 (7) :1904 － 1906． ［5］［美］赛尔吉欧·佛朗哥． 基于运算放大器和模拟 集成电路的设计［M］．刘树棠，朱茂林，荣玫［译］． 西安:西安交通大学出版社，2004． The Design of the Amplifier for Weak Photoelectric Current Signal YANG Mao，HU Li － qun，DUAN Yan － min，MAO Song － tao (Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，HeFei 230031) Abstract:It designs a kind of current amplifier of practical photoelectric weak signal for the detection of weak diagnosis signal of the Plasma physics experimental in EAST，with the high noise environment in EAST experi- mental and the basic principles of photoelectric detection circuit． The circuit is made up of pre － amplifier，ac- tive filter and behind voltage amplifier，combined with EMC technology to get a low － noise signal which has e- nough gain and bandwidth． Experimental show that the circuit could effectively measure weak current signal， and it has preferably SNR and stability． Key words:photoelectric detector，pre － current amplifier，active filter，low noise，EMC 837