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、...
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
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
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 C1C2,R1R2。
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 C1C2 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 | | R1R2,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:
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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
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