關於激光接收電路部分雜訊分析

1設計依據

1.1雜訊分析[1]

從雜訊的形成機理來看，集成電路中的信號一般會受到兩種不同類型雜訊的影響：固有雜訊和外部雜訊。固有雜訊是指電路中器件本身產生的雜訊，而外部雜訊則是指電路受到非自身信號源影響產生的干擾，一般為電源或地線、信號線之間。

1.1.1固有雜訊

固有雜訊是由於電荷在導線或器件當中不連續並且隨意運動產生的電路雜訊，是電路中元器件本身的雜訊，因此也稱為電路內部雜訊，例如器件的熱雜訊、散粒雜訊、閃爍雜訊等。

熱雜訊是由於導體內部載流子(電子或空穴)的無規則熱運動產生的。熱雜訊存在於所有無源電阻型材料中。熱雜訊也是白雜訊，一般熱雜訊與電流流動無關，但與絕對溫度成正比。

1/f雜訊也稱為閃爍雜訊，是一種低頻雜訊。在相當寬的頻率範圍內，1/f雜訊的功率譜密度與頻率是成反比的。1/f雜訊的產生機理複雜，在很大程度上是由於器件中的雜質與缺陷引起的，而且半導體器件的表面狀態對1/f雜訊也有影響。一般有源區表面積比較大的器件，其1/f雜訊就比較大，而且表面效應器件MOSFET的1/f雜訊遠大於體效應器件JFET，在製作良好的體效應器件中幾乎觀察不到任何的1/f雜訊。

散粒雜訊也稱白雜訊，與頻率無關。探測器的散粒雜訊是由載流子的由載流子的微粒性引起的。光輻射中光子到達率的起伏，光電子從材料表面逸出的隨機性，PN結中過結數的隨機性。電荷載體數量的任何波動都會在那個時刻產生隨機的電流，這就是散粒雜訊。

產生的複合雜訊是因光或熱激發產生載流子和載流子複合這兩個隨機過程，在平衡狀態時，在載流子產生和複合的平均數是一定的，但在某一瞬間載流子的產生數和複合數會使載流子濃度起伏引起電流隨機起伏

雪崩雜訊是PN結工作在反向擊穿狀態時產生的。在PN結耗盡層內強反向電場的影響下，電子同晶格的原子碰撞時，它們有足夠的動能形成多餘的電子一空穴對。這些碰撞純粹是隨機的，產生同散粒雜訊類似的隨機的電流脈衝，但是比散粒雜訊要大得多（雪崩雜訊APD中適用）。

外部雜訊也稱為耦合雜訊，是由相鄰電路中相互干擾而引起的干擾雜訊，外部雜訊來自電路外部的雜訊源。

對於（使用JFET+帶寬放大器）前置放大器對來說，其主要雜訊為熱雜訊和散粒雜訊，散粒雜訊具有支配地位。

根據探測器輸出信號成形方式的特點分類可以分為兩大類：

1、積分型放大器：

電壓靈敏前置放大器：對探測器信號先積分再放大。

電荷靈敏前置放大器：放大和積分同時進行。

2、電流型放大器：

電流靈敏前置放大器：保留輸入電流信號的形狀特徵

由於前級輸入信號相當微弱的，為了精確分析粒子能量，就需要有高線性。為了保留輸入信號的形狀特徵，故採用電流靈敏前置放大電路。

光電二極體可分為兩類：高電容（30pF置3000pF）的大面積光電二極體和較小電容的光電二極體。為了獲得最佳的信噪比性能，最常見的做法是採用一個跨阻放大器（由一個反相運算放大器和一個反饋電阻器組成）來將光電二極體電流轉換成電壓。在低雜訊放大器設計中，大面積光電二極體放大器需要更加關注的是降低運算放大器輸入電壓雜訊，而小面積光電二極體則需要把注意力更多地放在降低運算放大器輸入電流雜訊和寄生電容上。

由於採用光電感測器S7510，反相偏壓為VR=10V,f=1MHz時的電容為80pF屬於大面積光電二極體。

前置放大電路包含光電轉換感測器、雜訊濾除電路設計、I/V轉換電路，將光信號轉換為電壓連續的信號輸出給後續儀器處理電路，本文重點介紹該電路的設計實現。

2.0.3.1雜訊濾除電路設計

如圖1 電流轉電壓電路（I/V轉換電路）

如上圖1所示由於前置放大電路，I/V電路存在低雜訊高跨導的結型場效應管(JFET)Q8，可以將電路R38、 R37、R44、C43、Q1和U5看成等效為一個整體即跨組放大器，所以電路可以等效為下面的如圖4 進行雜訊分析等效電路

圖2 雜訊分析等效電路

若電源-VB雜訊電壓為e ，則假設在B點的雜訊電壓為enB ，在運放輸出端點雜訊電壓為en

對於節點A來說，假設電流流向如圖所示，由基爾霍夫電流定律（輸入電流總和等於輸出電流總和）則有：

（1）

由於光電二極體D等效為理想光電二極體和寄生電容並聯，理想光電二極體始終工作在反相截止區，等效流過二極體的電流為零，僅考慮所有的雜訊電流全部流過光電二極體的寄生電容Cd，

則根據上述公式（A）可得

(2)

由於集成運算放大器的虛短則A 點電壓VA=0V 則有：

(3)

集成運算放大器的虛短虛短虛斷則VA=0V i2=i4則有

(4)

則對於運算放大器的雜訊增益為

(5)

隨著的R和C低通濾波器的存在引入了極點，抵消Rf和cd.零點引起的高頻雜訊增益, 且高頻時C》Cd ， Rf》R 所以總的雜訊增益可等效為

(6)

使用-VB=-12V偏置，為了防止電流過大損壞光電二極體，反偏電路中加入了限流電阻R=20KΩ，反偏電壓-VB=-12V，由S7510技術參數光電二極體的最大暗電流為10nA，通過I/V轉換之後產生的電壓在uV級水平，對電路性能影響極小。則取C》Cd由於S7510的寄生電容為Cd=80pf R=20KΩ Rf=1MΩ(Rf取值由後續電路確定，分析時需要前瞻性分析，綜合考慮)取C=1.1uF則Aen≈-0.0036 倍，由此可見電容C越大則雜訊放大倍數越小，但是電容C越大會影響放大電路對光電二極體光電流的靈敏度，需要均衡考慮其值的大小。

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