利用三極管對(duì)高速大動(dòng)態(tài)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)降噪探究

王立娟

摘要：在高速大動(dòng)態(tài)電轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，所有的高速開(kāi)關(guān)都會(huì)在切換的過(guò)程中不斷地產(chǎn)生噪聲，從而使得在高速狀態(tài)下的芯片能夠在運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生脈沖。一般在大動(dòng)態(tài)光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)有效地分析三級(jí)管內(nèi)部集電極間電阻的特性和基極電壓之間的關(guān)系。最終的目的是通過(guò)分析三極泄流和三級(jí)泄流之間所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，從而最后分析并聯(lián)三級(jí)管泄漏過(guò)程中的降噪效果。

關(guān)鍵詞：三極管；高速大動(dòng)態(tài)；光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；降噪措施

引言：

在通信系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程中，主要運(yùn)用光纖傳輸技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的技術(shù)，并要求配套的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器都能夠不斷地進(jìn)步。在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，正是因?yàn)樽屘綔y(cè)和采集過(guò)程中產(chǎn)生的目標(biāo)光電信號(hào)變得更好，才會(huì)在之后對(duì)光電探測(cè)器本身的性能和數(shù)據(jù)采集的速度提出越來(lái)越高的要求。

1.三級(jí)管對(duì)高速大動(dòng)態(tài)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)降噪研究的背景

傳統(tǒng)的光電探測(cè)器很難在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)大范圍的變動(dòng)。在實(shí)際高速大動(dòng)態(tài)光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，一般都是通過(guò)使用自動(dòng)量程的切換設(shè)計(jì)方案來(lái)有效地進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在之后通過(guò)利用高速開(kāi)關(guān)來(lái)有效地切換通道內(nèi)部反饋?zhàn)柚档拇笮。@樣往往能夠更好地改變放大的倍數(shù)[1]。但是，在使用高速開(kāi)關(guān)切換信號(hào)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲。產(chǎn)生的噪聲會(huì)使得高速運(yùn)放的過(guò)程進(jìn)入飽和區(qū)，從而延長(zhǎng)響應(yīng)的時(shí)間。所以，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)內(nèi)部的效率都會(huì)顯得比較低。

本文結(jié)合實(shí)際案例選擇在切換通道旁邊來(lái)并聯(lián)三級(jí)管，并將其更好地轉(zhuǎn)變?yōu)樾沽鞴艿?，從而更好地抑制噪聲的產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中可以通過(guò)分析內(nèi)部的原理來(lái)更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三級(jí)管本身都會(huì)在高速開(kāi)關(guān)泄流管電路中發(fā)揮著重要的作用，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

整個(gè)三極管泄流管本身是由光電二極管、高速運(yùn)算放大器、反饋電阻和其他構(gòu)件組成。這些構(gòu)件將會(huì)聯(lián)合在一起，并發(fā)揮著更大的作用。

3.三極管的特性和作用

3.1三極管特性

所有的三極管在有正向電壓的背景下，射極和基極之間將會(huì)形成正向壓降的模式。集電極和基電極之間又會(huì)形成反向壓降。在建設(shè)的過(guò)程中可以滿足三極管放大的要求。通過(guò)射極到集電極之間所產(chǎn)生的等效電阻可以做實(shí)驗(yàn)，表1則主要顯示了實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果。

從表1的數(shù)據(jù)可以知道，基極電壓將會(huì)影響三極管射極和集電極之間的電阻特性。如果在操作的過(guò)程中，基極電壓已經(jīng)達(dá)到了0.5V，那么可以將其視作光電二極管漏電阻。

3.2三級(jí)管發(fā)揮的泄流作用

當(dāng)高速開(kāi)關(guān)一直處于工作狀態(tài)時(shí)，那么總有一路屬于通暢的狀態(tài)。但是，只有通過(guò)有效地?cái)嚅_(kāi)才能夠讓開(kāi)關(guān)有效地進(jìn)行切換。

當(dāng)開(kāi)關(guān)一直處于閉合狀態(tài)下時(shí)，在運(yùn)算放大器反相運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生接近于0的電壓。如果開(kāi)關(guān)一旦斷開(kāi)，那么跨接電阻的通道也會(huì)得以斷開(kāi)。

小信號(hào)在瞬間響應(yīng)的過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)小的脈沖。在低速電路發(fā)展的過(guò)程中，正是由于瞬態(tài)響應(yīng)的時(shí)間基本都比較長(zhǎng)，所以脈沖時(shí)間并不會(huì)在其中占據(jù)很重要的地位，甚至不會(huì)在之后影響后續(xù)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的采樣精度。又因?yàn)楦咚龠\(yùn)算放大器在實(shí)際操作的過(guò)程中會(huì)保持較高的轉(zhuǎn)換速率，瞬時(shí)響應(yīng)的時(shí)間也會(huì)變得很短暫。因此，當(dāng)舜態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)在邊沿脈的時(shí)候，響應(yīng)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都不能夠被忽略[2]。又因?yàn)檫^(guò)載恢復(fù)時(shí)間會(huì)在其中發(fā)生作用，最后，整個(gè)邊沿脈沖的比例也會(huì)變大。高速電路內(nèi)部也就會(huì)出現(xiàn)脈沖噪聲干擾的現(xiàn)象。

三極管的基極電壓多數(shù)都是由使用過(guò)程中的輸出端所提供的。不僅發(fā)射極處于正偏的位置，而且集電極也出現(xiàn)反偏的現(xiàn)象。光電探測(cè)器內(nèi)部所產(chǎn)生的大部分電流都可以借助三極管射極和集電極的通路來(lái)進(jìn)行流走。在實(shí)踐操作的過(guò)程中，只有很少一部分的電流會(huì)因此流過(guò)有效電阻。同時(shí)，運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓趨近于零。因此，運(yùn)算放大器不會(huì)在使用的過(guò)程中進(jìn)入飽和區(qū)。

4.仿真結(jié)果分析

4.1不加極的三級(jí)管效果分析

采用壓控開(kāi)關(guān)來(lái)模擬高速開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和閉合的過(guò)程，一般周期為2ms，整個(gè)輸入電壓和輸出電壓仿真的結(jié)果如圖2所示。根據(jù)測(cè)量的結(jié)果可以得知，在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸入的電壓為1.654mV，而輸出電壓為-102.680mV。由T2標(biāo)線可以得知：當(dāng)輸入電壓都上升到-4.820V時(shí)，輸出的電壓會(huì)立刻變成5000V。所有類(lèi)型的運(yùn)算放大器也就因此進(jìn)入飽和區(qū)。

4.2加三級(jí)管泄流脈沖效果分析

如果三級(jí)管內(nèi)部的運(yùn)算器已經(jīng)被明顯地穩(wěn)定在線性區(qū)域時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸入的電壓為-102.573μV，輸出的電壓則會(huì)被定為為428.804mV。另外，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后，三極管輸出電壓所產(chǎn)生的影響明顯要更大。其中，運(yùn)算放大器本身的輸入電壓幾乎為零，而且有著很好的穩(wěn)定效果。但是，在整體操作過(guò)程中，只有在開(kāi)關(guān)閉合的瞬間才會(huì)產(chǎn)生輕微地抖動(dòng)，并不會(huì)對(duì)輸出的過(guò)程產(chǎn)生很大的影響。

從T1-T2的變化可以知道，在加三極管運(yùn)算法則之后，其運(yùn)算放大器并沒(méi)有因此進(jìn)入飽和區(qū)。整個(gè)輸出電壓下降的有效電壓值主要被控制在386.332ns內(nèi)。

5.結(jié)束語(yǔ)

三極管的泄流作用本身將會(huì)很好地抑制高速開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，并有效地縮短輸出信號(hào)下降時(shí)的恢復(fù)時(shí)間，最終也就能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立剛，張殿元. 低噪聲光電檢測(cè)電路的研究與設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2016（3）：29-34

[2] 宋濤，張斌，羅倩倩. 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用，2017（3）：159-163

（作者單位：廣東省佛山市高明區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校）