红外探测器的低噪声前置放大电路设计

江 婷,李 胜,高闽光,童晶晶,李 妍

(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学,安徽 合肥230026)

1 引 言

随着红外光谱技术的飞速发展,红外光谱仪在大气环境监测、军事以及医学等领域得到更加广泛的应用。在红外光谱仪的设计中,探测器的信号检测电路是光谱仪的重要组成部分,该部分电路包括前置放大电路,滤波电路以及信号采集电路。其中,前置放大电路是对探测器输出信号的预处理,主要实现对干涉红外光后产生的微弱电信号的接收以及低噪声放大,该部分电路的性能直接关系着仪器的最小可测功率、信噪比、动态范围等重要参数。因此,为了发挥红外探测器的最佳性能并将信号放大到易于处理的电平需要设计低噪声高增益的前置放大电路。

通常,设计匹配的前置放大电路主要包括偏置方法的选择,耦合网络的设计,阻抗匹配结构的设计以及低噪声放大电路的设计。目前,E.L.Dereniak等人[1]设计了一种低噪声MOSFET反馈电路,通过前放的输出反馈来设定最佳偏置电压并提高了探测性能。陈兴梧等人[2]在分析光电导探测器工作原理的基础上对几种偏置电路的性能进行了对比分析,并设计了采用无噪声偏置电路的前置放大电路大大降低了电路噪声。李大宇等人[3]针对多元HgCdTe探测器在应用过程中出现的串音干扰提出了一种高阻抗的前置放大电路,较好的抑制了电串音的干扰。以上研究主要侧重于低噪声电路设计并没有针对实际的应用需求设计匹配的前置放大电路,因此,在此基础上本文围绕实验室所用的制冷型碲镉汞光电导探测器为依据,设计了一种以窄带滤波法为核心的恒流偏置型的低噪声前置放大电路,并且建立等效噪声模型分析电路的噪声性能,最后通过理论分析结合仿真实验验证电路在微弱信号检测方面的性能。

2 电路设计方案

实验所用为#15-51983系列的碲镉汞光电导型探测器,波长响应范围为2.5～16 μm,探测器等效电容为17 pF且由液氮制冷达到降低探测器噪声的目的,干涉光信号的处理流程如图1所示。

图1 干涉光信号处理流程

探测器将经过干涉仪得到干涉光信号接收并转化为电信号,感光后输出的微变交流电流信号在微安量级,而探测器工作时产生的噪声电流是毫安级完全淹没了有用信号。因此,要考虑抑制噪声干扰的同时实现对有用信号的低噪声放大处理,针对本实验的前置放大电路设计主要包括偏置电路以及放大电路的设计。

2.1 偏置电路的设计

由于光电导型探测器正常工作时需要提供偏置电压,而不同的偏置方式对探测器性能又有很大影响。在设计偏置电路时要综合考虑探测器的响应率、信噪比以及偏置电路的噪声等因素,并且要求电路噪声要远低于探测器的本底噪声[4-6]。因此,综上所述要合理设计与探测器相匹配的偏置电路。目前基于光电导型探测器的偏置电路有恒流源式,恒功率式以及恒压式偏置[4-6],其中恒流偏置的信噪比较高且适用于探测器内阻较小的情况,由于本文所用探测器内阻较小为80 Ω,所以考虑采用恒流偏置电路。设计的偏置电路如图2所示。

图2 光电导探测器的偏置电路

探测器内阻为Rd,三极管选用小功率、电流特性好且增益较高的达林顿NPN型晶体管2N2222,由R7,C13构成的低通滤波器的截止频率为:f=1.59 Hz可以滤除工频干扰。变阻器R6可以调节三极管的工作状态使三极管工作在放大区,从而获得较为理想的输出偏置电压Ve,得到基级电压Vb与基级电流Ib的关系为:

(1)

其中,Vcc为直流电源电压;Rx为滑动变阻接入基级电路的部分可变电阻。令P为探测器的最大功耗,R10为偏置电阻,Rd为探测器暗电阻,可得探测器偏压与功耗满足:

(2)

则可进一步得到探测器输出电压为:

(3)

2.2 前置放大电路设计

前置放大电路的设计需要考虑运放电路的选择,负反馈的形式,噪声匹配以及合理的有源无源器件选用等技术问题[7]。本文所用的探测器在正常工作状态下需要分辨的最小电流信号为1 μA完全淹没于噪声当中,所以需要设计低噪声高增益的前置放大电路。为了满足高增益的需求前置放大电路采用两级放大的形式,第一级采用补偿后的微分电路结构完成I-V转化,第二级采用T型电阻反馈网络。因此,综合考虑选用低噪声超精密的高速运放AD797对信号进行I-V转换,后级采用另一款高速精密的低噪声运放OP37实现无失真放大。两级放大电路之间采用交流耦合的方式,从而使各个静态工作点之间互相独立,并且可以减少信号的损耗以及温漂的情况。

常用的电流转换成电压的方法会影响转换精度,因此本文考虑采用通过结合运放的电阻反馈法实现I-V转换的同时兼顾转换精度。设计的电路如图3所示。

图3 微分运放电路

(4)

二级放大电路与一级不同的是该级主要考虑放大器的增益,噪声以及温度漂移等重要性能指标。

采用传统的比例运放电路会引起较大误差,主要是由于运放输出电压受到偏置电流、失调电压、失调电流,以及温度漂移等因素的影响。此外,为了获取较高增益的同时需要阻值较大的反馈电阻,而反馈电阻过大会引入较大的热噪声,容易将被测信号淹没,因此考虑采用电压增益高且反馈阻值较低的T型反馈网络来改进反馈电路的结构。设计的二级运放电路如图4所示。

图4 T型电阻反馈网络比例运放

电路采用R4,R8,R9构成T型电阻反馈网络,其中R11为运放的输入电阻,R9为具有50 kΩ的可变电阻实现了增益可调,同时该电路相比于比例运放降低了反馈电阻的大小从而降低了电阻热噪声的影响。利用Y-△变换分析可知[8],增益为:

(5)

二级放大电路具有1至1000倍的可调增益,扩大了电路的动态范围。总体电路如图5所示。

图5 红外探测器前置放大电路

3 前置放大电路的噪声分析

微弱信号检测的目的是从噪声中提取被测信号,因此,分析运放电路的的噪声性能是很有必要的。由于运放内部包含大量的噪声源,如果每个都进行单独分析将会是一项非常复杂的工作,考虑采取广义的噪声概念[9-10]来对电路噪声进行分析。本文采用典型的EN-IN噪声模型进行分析,EN-IN噪声模型如图6所示。

图6 等效噪声电路

采用上述的噪声分析模型,本文的前置放大电路的等效噪声电路如图7所示。

图7 前置放大电路的等效噪声电路

图中,Rd为探测器内阻,ep与in为运放输入端的等效噪声电压与噪声电流,对于电阻可以等效为一个理想的无噪声电阻串联一个电压源作为噪声模型。对于噪声电压源的均方根为:

(6)

其中,k=1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数;T为热力学温度(K);R为电阻值(Ω);Δf是噪声带宽(Hz)。

第一级运放电路的噪声将从以下几个方面去分析,包括运放的噪声电流流过电阻产生的噪声,电阻的热噪声以及运放的输入电压噪声。将这些噪声相加,再结合运放的噪声增益即可得出一级运放电路的输出噪声。分析可得:

电路中电阻的热噪声为:

(7)

噪声电压源产生的噪声为:

(8)

噪声电流源产生的噪声为:

(9)

计算可得第一级放大电路产生的总噪声为:

(10)

第二级放大电路产生的噪声分析方法与第一级的跨阻电路分析相似,为方便分析这里应用星型电阻网络与三角形电阻网络的等效变换[11]且取RP2等于R9便于计算,同理可得第二级放大电路产生的总噪声为:

(11)

=2.1274×10-6V

(12)

由上述公式计算可得,检测电路的噪声电压主要来源于探测器产生的噪声电压以及前置电路中的第一级运放电路产生的噪声,因此,在探测器的选择,运放电路的设计以及元器件的选型方面都会对检测电路的噪声性能产生影响。已知检测电路输出端的总噪声电压为2.1274×10-6V,可知其等效到输入端可检测的电流为2.659×10-8A。

=80.203 dB

(13)

可知探测器在输出信号微弱的情况下,通过合理的调整偏置电压以及电路增益可实现有用信号的低噪声放大并获得较高的信噪比。

4 信号调理实验结果与分析

仿真时取探测器等效的光电激励信号1 μA,信号频率为1 kHz,探测器的源电阻设置为80 Ω,偏置电阻为1 kΩ。对于该电路的仿真,选取了Tina软件以及加拿大IIT公司的mulitisim仿真软件,用户可以根据设计的电路对选择相应的元器件以及对参数进行设计。

在Tina软件下进行模拟仿真,当输入为1 kHz的正弦波信号时,仿真得到了电路的幅频响应曲线和相频响应曲线如图8所示。

(a)中频频率

(b)上限频率

可知当激励源保持不变时,该电路表现出很好的低通特性,且调节输出信号幅度降到峰值幅度的0.707倍时,记录信号的频率,可得到-3 dB带宽为2 MHz,满足实验室所用的带宽。分析相频特性曲线,可知在工作带宽内都可以保持稳定,即不会发生自激振荡。

(a)第一级放大电路图

(b)第二级放大电路图

由图9(a)和图9(b)可知,经过放大后输出信号幅度可达22.725 mV,增益为87.13 dB,可知仿真结果与理论计算值基本相符合。

噪声分析一般是在交流状态下分析的,电路所计算的噪声主要是电阻的热噪声以及半导体器件的散粒噪声和闪烁噪声。对所设计的电路图进行信噪比分析,得出的仿真波形图如图所示。可知在频率为1 kHz,输入不变的情况下,信噪比约为77.68 dB,仿真结果与理论电路的信噪比存在一定的偏差,主要是在仿真过程中仿真结果取决于电子器件模型的精度,模型中的器件性能参数与实际器件手册中的参数存在一定的偏差。

图10 信噪比曲线

5 结 论

本文通过分析实验室红外探测器输出信号的特性以及应用需求,设计了应用于光电导探测器的恒流型偏置电路以及具有可调增益的低噪声前置放大电路。实际测试表明,在标准工作条件下测得该部分电路具有2 MHz的带宽可以满足实验需求,可探测10-8A量级的微变交流信号,具有较高的信噪比可以有效抑制噪声。值得注意的是,为了进一步提高电路的性能还要对电路板设计,电磁兼容以及接地方式等进行更深入的研究。