一种光电检测电路的噪声分析方法与流程

本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种光电检测电路的噪声分析方法，用于获取光电检测电路的输出噪声电压模型，为减少电路噪声提供一定的参数指导，可广泛应用于各种光电探测场合

背景技术：

目前，光电检测技术已被应用到许多领域，理想情况下，只要存在光辐射信号的地方，就可以利用光电检测电路将信号检测出来。然而当被检测的信号非常微弱时，常常会出现信号淹没在噪声中的情况，因此，对光电检测电路的进行噪声分析，对提高光电检测电路的探测能力具有重要的意义。

图1和图2为现有的光电检测电路图及其等效噪声模型。在一般的光电检测电路中，光电二极管处于无偏状态，分析其噪声时，首先写出电源、电阻的噪声模型，再根据运算放大器资料算出其输入端口的噪声模型(En-In模型)，画出整个电路的等效噪声模型图，通过电路图计算输出端口的噪声电压，并分析引起噪声的相关因素。

然而，现有的对光电检测电路的噪声分析，多是基于光电二极管无偏情况下，分析过程较为简单，但不足之处在于无偏条件下，光电二极管光电转换效率低，探测能力较反偏时弱。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种光电检测电路的噪声分析方法，其可广泛应用于所有级联结构的电路中，为低噪声光电检测电路的设计提供了一定的参考。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光电检测电路的噪声分析方法，光电二极管处于反偏状态，在进行噪声分析时，将整个光电检测电路划分成光电二极管、三极管、运算放大器三个级联模块，分别计算每一模块的输出噪声电压或电流值，再根据级联原理，计算整个光电检测电路的总输出噪声电压值，根据总输出噪声电压值分析噪声因素，从而修正电路参数。

进一步，对于光电二极管模块，分别计算出散粒噪声源和热噪声源在输出端产生的噪声电流，然后根据噪声叠加定律获得噪声源在光电二极管模块输出端的总噪声电流值；其中，光电二极管模块包括散粒噪声源，第一电阻RD产生的第一热噪声源，以及第二电阻Rs 产生的第二热噪声源。

进一步，对于三极管模块，分别计算源电阻热噪声源、基级电阻热噪声源、散粒噪声源I_b产生的第一散粒噪声源以及散粒噪声源I_c产生的第二散粒噪声源在输出端产生的噪声电压值，然后根据噪声叠加原理计算三极管输出的总噪声电压值。

进一步，整个光电检测电路的总输出噪声电压为：

其中，β₀为三极管的电流放大倍数，q为电荷量常数，K为玻尔兹曼常数，T为电阻的绝对温度值，Δf为系统带宽，R_L为三极管的负载电阻，Rf为运算放大器端的反馈电阻，R₁为运算放大器的输入电阻，RD为光电二极管的漏电阻，Rs为供电电源的源电阻，r_bb’是三极管的基区体电阻，r_b’e是三极管的发射结结电阻，r_b’c为集电结结电阻，r_ce为输出电阻，C_b’e为发射结结电容，C_b’c为集电结及电容，g_m为晶体管跨导。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，电路中光电二极管处于反偏状态，相较于正偏和零偏状态，光电转换效率更高，并且所有的光电探测系统都是由光电器件、三极管、运算放大器构成，本发明的噪声分析方法具有普适性。

附图说明

图1为现有技术中的光电检测电路图示意图。

图2为图1所示电路的等效噪声模型。

图3为本发明中基于光电二极管反偏的光电检测电路。

图4为本发明中光电二极管的阻容等效模型。

图5为本发明中光电二极管的等效噪声模型。

图6为本发明中三极管的小信号模型。

图7为本发明中三极管的等效噪声模型。

图8为本发明中运算放大器部分电路连接图。

图9为本发明中运算放大器的等效噪声模型。

图10为本发明中基于光电二极管反偏的光电检测系统级联示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明光电检测电路的噪声分析方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明中，光电检测电路如图3所示，光电二极管处于反偏状态，在进行噪声分析时，沿图3中虚线将光电检测电路划分为三个模块：光电二极管模块、三极管模块、运算放大器模块；

一、光电二极管模块进行噪声分析

图4为光电二极管的阻容等效模型，图4中Ip为光电流源，D1为普通二极管，CD为结电容，RD为漏电阻，RS为体电阻：

根据图4，得出如图5所示的光电二极管的等效噪声模型，图5中En1是第一电阻RD(漏电阻)产生的第一热噪声，且En1＝4KTRDΔf，其中K为玻尔兹曼常数，T为漏第二电阻RD的绝对温度值，Δf为系统带宽；En2是电阻Rs产生的第二热噪声，且En2＝4KTRsΔf；Isn为光电二极管的散粒噪声，且Isn＝2qIpΔf，其中q为电荷带电量。

根据图5，计算图中三个噪声源在输出端产生的影响：

1)、散粒噪声源I_sn在输出端产生的噪声电流I_n1为：

I_n1＝I_sn (3)

2)、第一热噪声源E_n1在输出端产生的噪声电流I_n2为：

3)、第二热噪声源E_n2在输出端的噪声电流I_n3为：

根据噪声叠加定律得，三个噪声源在光电二极管模块输出端的总噪声电流值I_no1为：

二、三极管模块进行噪声分析

图6为三极管小信号模型，其中r_bb'是基区电阻，r_b'e是发射结结电阻，r_b'c为集电结结电阻，r_ce为输出电阻，c_b'e为发射结结电容，c_b'c为集电结电容，g_m为晶体管跨导；

根据图6画出三极管的等效噪声模型，如图7所示，图7中E_ns为源电阻产生的热噪声，且E_ns＝4KTR_sΔf；E_b为基级电阻r_bb'产生的热噪声，且E_b＝4KTr_bb'Δf；I_b为基区的散粒噪声；I_c为集电区产生的散粒噪声；

根据图7计算四种噪声源在输出端产生的噪声电压值：

1)源电阻热噪声源E_ns在输出端产生的噪声电压值E₀₁为：

2)基级电阻热噪声源E_b在输出端产生的噪声电压值E₀₂为：

3)散粒噪声源I_b在输出端产生的噪声电压值E₀₃为：

4)散粒噪声源I_c在输出端产生的噪声电压值E₀₄为：

E₀₄＝I_c(R_L//r_ce) (10)

根据噪声叠加原理，三极管模块输出总噪声为上述各项噪声源作用的均方和，计算时，一般会认为β₀＝g_mr_b'e，则可得三极管的输出噪声电压值E_no1²为：

三、运算放大器模块进行噪声分析

根据图3画出运算放大器部分的电路图，如图8所示；根据图8画出运算放大器的等效噪声模型，如图9所示：其中En3、En4、En5分别为电阻R1、电阻R2、电阻Rf的热噪声；其中En0、In0为运算放大器的En-In输入噪声电压电流模型，其可根据运算放大器手册查知；

根据图9，计算输出端的噪声电压值E_no2为：

最后，根据级联原理，得出整个光电检测电路的输出噪声电压，图10为基于光电二极管反偏的光电检测系统级联模块框架图，根据级联原理得，三部分级联后的总输出噪声电压E_no为：

E_no＝I_no1K_I1R_LK_V2+E_no1K_V2+E_no2 (13)

式(13)中，K_I1为三级管的放大倍数，K_V2为运算放大器的放大倍数，由此计算整个电路的总输出噪声电压为：

其中，β₀为三极管的电流放大倍数，q为电荷量常数，K为玻尔兹曼常数，T为电阻的绝对温度值，Δf为系统带宽，R_L为三极管的负载电阻，Rf为运算放大器端的反馈电阻，R₁为运算放大器的输入电阻，RD为光电二极管的漏电阻，Rs为供电电源的源电阻，r_bb’是三极管的基区体电阻，r_b’e是三极管的发射结结电阻，r_b’c为集电结结电阻，r_ce为输出电阻，C_b’e为发射结结电容，C_b’c为集电结及电容，g_m为晶体管跨导。

由式(14)可得输出噪声与光电检测电路中电阻、三极管的选取相关，可根据式子(14)选取合适的阻值和合适型号的三极管，可使得电路输出噪声最小。