光电检测低噪声前置放大器的设计与分析

光电检测低噪声前置放大器的设计与分析

陈广新1，杨华军1，吴志海2，王江2

1、电子科技大学物理电子学院，成都（610054）

2、西南技术物理研究所，成都（610041）

E-mail：zhgx1981@https://www.360docs.net/doc/8e18785863.html,

摘要：光电检测系统中，存在着各种各样的噪声。降低前置放大器的噪声，一直是提高光电检测灵敏度的主要任务。本文以噪声的基本理论为基础，以实例介绍了在工程中应用的低噪声前置放大器的设计过程并给出了实验分析。

关键词：噪声，前置放大器，光电检测

中图分类号：TP212.14

1．引言

在激光微弱信号检测中，光电检测器件所接收的光信号十分微弱，输出的信号往往被深埋在噪声之中，要有效地利用这种信号就必须通过前置放大器对其进行放大处理。一款合格地前置放大器一方面要克服外界干扰把有用信号从噪声地掩盖中加以恢复，另一方面要尽可能地降低自身地噪声，减少对被测信号地污染。所以前置放大器的低噪声设计成为首当其冲的问题。

2．放大器的噪声

噪声是扰乱或干扰有用信号的某种不期望的扰动。在放大器电路中有两类噪声。第一类噪声称为“干扰”这是指与实际电路无关的源产生的噪声（如：电磁干扰、工频干扰等）。这种外部噪声通常可以采取各种办法加以抑制和消除。第二类噪声是电路本身固有的噪声，它是由电路内部元器件产生的，不能被全部消除只能减到最低程度。

放大器的内部噪声主要有[1]：

（1）散粒噪声：在半导体器件中，各个载流子携带一个离散的电荷流动并产生一个小的电流脉冲，所有电流脉冲之和形成某一方向的平均电流流动并伴随不规则的起伏，这种起伏叫做散粒噪声。

（2）热噪声：处于热力学温度零度以上的导体中，由于自由电子的随机热运动不断的与震动着的离子碰撞，形成能量的不断变化。这种由于导体中载流子随机热运动所产生的随机噪声叫热噪声。

（3）闪烁噪声：闪烁噪声是一种重要的噪声源。其产生的原因比较复杂，它与材料的表面状态和漏电流有关。

（4）典型的放大器噪声频谱曲线如图1所示。在低频区，闪烁噪声为主；在中频区，具有平坦频谱的白噪声即热噪声和散粒噪声占统治地位；在高频区，由于增益减小，信噪比相对降低，噪声系数增大。图中f1、f2分别是带宽的下限和上限。带宽BW=f2-f1,如果f2>>f1,则BW＝f2。

图1 典型放大噪声频谱曲线

3．电路设计与分析

3. 1 输入级的选择

一般发现，集成电路的管子比分立的晶体管固有噪声高。在要求噪声电平特别低的电路中，第一级往往采用低噪声半导体三极管或场效应管。近年来，随着半导体工艺技术的提高，高电子迁移率晶体管（HEMT ）得到了广泛的应用，高电子迁移率晶体管是掺杂（也叫调制掺杂）的异质结结构场效应管。较之普通的场效应管具有高频、高跨导、低功耗和低噪声等特性[2]。我们所使用的高电子迁移率晶体管噪声系数在12GHZ 时低至0.45dB,跨导可以达到50ms 。

3. 2 电路组态选择

场效应管可以接成三种组态：共源极（CS ）、共漏极（CD ）和共栅极（CG ）。根据级联放大器的总噪声系数公式[3]

321112121

111............n n F F F F F G G G G G G ????=+++++ （1） 可知当输入级的功率增益1G 足够大，且噪声系数1F 足够小时，多级串连放大器的噪声系数F 才会较小，第一级以后的各级对噪声系数的影响才可以忽略。由于共源组态的功率增益最大，所以输入级选用共源组态。

3. 3 反馈选择

为了获得所需的频率响应和增益，稳定放大器的静态工作点，实现电流到电压的转换还必须加上电压并联负反馈。对于反馈电阻的选择既不能选的太大，也不能选的太小，太大虽然提高了增益但是会使反馈电阻的热噪声变大，前置放大器的带宽变窄；太小虽然减小了电阻的热噪声但往往会使前置放大器的增益变小，甚至出现过冲现象造成信号振荡。所以在选择反馈电阻时要兼顾增益、带宽和噪声的要求。

3. 4 噪声特性分析

根据上述的功能设计，具体的前置放大器电路原理图如图2。

图2 前置放大器电原理图

该前置放大器采用共源-共基对加上反馈电阻构成，第一级采用场效应管，并接成共源模式；第二级采用共基极晶体管，R2、R3组成偏置电路，C1是旁路电容。Rf 是反馈电阻提供直流电平。为了与后继电路阻抗相匹配，增加了两级射极跟随器，R4、R5、R6是偏置电阻。由于第二级的输入电阻低，所以第一级的电压增益小，但是Cgd （栅极-漏极间电容）产生的密勒效应小[4]。因此第一级的输入电容远小于一般的共源极电路，从而该电路在高频中获得了应用。对于场效应管来说，噪声电压与跨导成反比，要降低噪声，必须把场效应管运用在跨导大的地方。由场效应管的特性不难发现，静态漏极电流大时，跨导值大。通常在漏极饱和电流附近跨导最大，漏极饱和电流是栅－源偏压为零时的漏极电流值。所以本前置放大器场效应管栅－源偏压值取为零伏。

该前置放大器与探测器连接时的噪声等效电路如图3所示。

图3 光电检测电路噪声模型

其中s I 为回波信号电流，ns I 为光电二极管散粒噪声其值为2

2ns s I qI f =?，3q f dB ?式中为电子电荷，为信号的带宽；d R 为光电二极管的内阻；d C 为光电二极管的结电容；nd I 为内阻产生的热噪声电流其值为4nd d kT f I R ?=，k T f ?－玻尔兹曼常数，－绝对温度，－带宽；0C 为电路的布线电容。N E 、N I 分别为放大器等效输入噪声电压和等效输入噪声电流；i r 为放大器的输入电阻；nf E 为反馈电阻f R 产生的热噪声电压，0r 为放大器的输出电阻，一般有f R r <<0，在噪声计算中可略去不计。

经计算可知总的等效噪声电流为：

2222222222442(//)(//)N N ni ns nd N nf

ns N d f d f

d f E E KT f KT f I I I I I qI f I R R R R R R ??=++++=?++++ （2） 信噪比为： 12222

1111[24()()]s s ni ns N N d f d f I I S N I qI f KT f I E R R R R ==?++?+++ （3）

通过信噪比计算公式（3），我们可以清晰的看出放大器的噪声对系统信噪比的影响很大，低噪声的前置放大器可以大大提高系统的信噪比。图4是该前置放大器的电压和电流等效噪声曲线，有图可以看出在我们需要的带宽内，噪声电压低于

50nV,噪声电流低于1pA 。

图4 电压和电流噪声等效曲线

4．仿真实验分析

图4是该前置放大器的频率响应曲线。由图可知频率曲线相当平坦，增益可达到100dB,-3dB 带宽40M ，完全满足我们的实际需要。图5是给前放输入上升沿和下降沿都为10ns ，脉宽为

1ns 的脉冲时的输出波形。从图中可以看出虽然有微小的反冲现象，但是信号波形还是得到了很好的复原。

图5 前置放大器的频率响应曲线

图6 脉冲输出波形

5．结论

有以上的设计过程我们可以总结出低噪声前置放大器的设计步骤是：首先着重考虑噪声特性。先考虑输入级器件是分立的还是集成的，是双极晶体管还是场效应管，并为它们选择适当的工作点，以便获得要求的噪声性能；然后选择电路组态，确定后级电路，进行整体噪声分析。最后加上负反馈，以获得所需得阻抗、频率响应和增益。整个设计过程是围绕噪声的分析、电路的综合，再回到噪声分析，最后取得各项指标均佳的结果。

参考文献

[1] [美]Donald A.Neamen著.赵桂钦译.电子电路分析与设计［M］.北京：电子工业出版社,2003.

[2] 陈俊.GaAs高电子迁移率晶体管(HEMT)及低噪声单片放大器的研究［A］.中国科学院微电子中心,2000.

[3] 王清正著.光电探测技术［M］.北京：电子工业出版社,1994.

[4] [美]C.D.Motchenbacher著.尤忠淇译.低噪声电子设计［M］.北京：国防工业出版社,1977.

Design and analysis of low noise preamplifier for

photoelectric measure

Chen Guangxin1，Wu Zhihai2，Yang Huajun1，Wang Jiang2

1、School of physical electronics of UESTC，Chengdu(610054)，China

2、Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu (610041)，China

Abstract

There are all kinds of noises in photoelectric measure system. Reducing noise is always the primary task of increasing the active distance of system. In this paper, based on the essential theory of noise, An example of design procedures for low noise preamplifier applied in engineering is introduced and experiment analysis is given.

Keywords：noise，preamplifier，photoelectric measure