光電探測(cè)器讀出噪聲分析方法

文/韓振偉 宋克非 劉陽 陳波

1 引言

光電探測(cè)器以半導(dǎo)體材料為基質(zhì)，利用材料的光電效應(yīng)原理，將入射光或光子轉(zhuǎn)換為電流或電荷，便于采集測(cè)量各個(gè)波段的入射光強(qiáng)度。光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于人類日常生活以及科學(xué)研究等諸多方面，尤其在空間天文與太陽物理，空間物理、空間環(huán)境等領(lǐng)域起著越來越重要的作用。鑒于光電探測(cè)器的重要作用，本文詳細(xì)闡述了光電探測(cè)器工作原理和讀出電路的噪聲分析方法。

光電探測(cè)器模型的建立，是進(jìn)行光電探測(cè)器理論研究、為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和檢驗(yàn)光電系統(tǒng)工作準(zhǔn)確性和有效性的前提。建立光電探測(cè)器的等效電路模型，就是利用電子元件建立能夠反映探測(cè)器性能的電路模型，得到一個(gè)光電一體化的等效模型，因此建模方法的合理性和準(zhǔn)確性是決定模型可行性的關(guān)鍵因素。光電探測(cè)器與讀出電路整體建模，通過分析電路參數(shù)對(duì)光電探測(cè)器的影響，為電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來便捷性。在整體模型的基礎(chǔ)上可以通過修改光電探測(cè)器模型寄生參數(shù)來估算系統(tǒng)噪聲水平，為光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器性能的最優(yōu)化。

2 光電探測(cè)器工作原理

光電效應(yīng)是指入射光子和光電探測(cè)器材料中的被束縛電子發(fā)生相互作用，使束縛電子變成為自由電子的一種效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩種類型。外光電效應(yīng)是指入射光子引起光電探測(cè)器材料表面發(fā)射電子的效應(yīng)，而內(nèi)光電效應(yīng)是指入射光子激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍保留在探測(cè)器材料內(nèi)部的效應(yīng)。光電探測(cè)器根據(jù)結(jié)構(gòu)可以劃分很多類型，包括光電二極管、光電三極管、光電導(dǎo)和光電池等。其中光電二極管又在原有PN結(jié)光電二極管的基礎(chǔ)上衍生了 PIN光電二極管、雪崩(APD)光電二極管等多種形式。

由于光電二極管具有線性范圍寬、光譜響應(yīng)度高、結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于空間科學(xué)探測(cè)領(lǐng)域。下面主要介紹常見的PN結(jié)光電二極管的工作原理。光電二極管常用工作模式可以分為兩種，一種是零偏置工作（也稱為光伏模式），第二種是反偏置工作（也稱為光導(dǎo)模式）。在光伏模式時(shí)，光電二極管可以在較寬的范圍內(nèi)線性工作；而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可具有較高的響應(yīng)速度，這通常以減少線性范圍為代價(jià)。在反偏置工作條件下，即使無光照也會(huì)存在暗電流。在零偏置工作條件下則沒有暗電流，此種狀態(tài)下光電二極管噪聲基本上是等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲，但在實(shí)際工作狀態(tài)下，讀出電路會(huì)對(duì)光電二極管產(chǎn)生較小的偏置電壓，所以依然會(huì)出現(xiàn)暗電流或者暗噪聲現(xiàn)象。在反偏置工作條件下，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。在光電二極管應(yīng)用過程中，需要根據(jù)兩種模式的特性，對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化，得到較好的性能。

圖1：信號(hào)處理采集電路框圖

圖2：光電二極管放大電路噪聲模型

光電二極管在零偏壓狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過程簡單高效，當(dāng)特定波長的入射光照射在光電二極管表面，光子能量被半導(dǎo)體所吸收后，價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，而在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生電子和空穴對(duì)。電子和空穴受到耗盡層中的電場(chǎng)的加速分別向N區(qū)和P區(qū)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)讀出電路連接至PN結(jié)兩端，電子和空穴會(huì)定向移動(dòng)形成電流。當(dāng)光照為零時(shí)，光電二極管由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流為暗電流，也稱為暗噪聲。在精密光電測(cè)量領(lǐng)域，微弱入射光產(chǎn)生的光電流也非常微弱，此時(shí)光電二極管自身的暗噪聲就不可忽略。

3 讀出電路方案設(shè)計(jì)與分析

光電二極管信號(hào)處理采集電路分為三個(gè)模塊，電流轉(zhuǎn)電壓電路、二級(jí)放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路，電路原理框圖如圖1所示。

光電二極管等效電路和信號(hào)處理電路噪聲模型如圖2所示。Id代表二極管產(chǎn)生的光電流，Cd代表二極管等效電容，Cf代表反饋電容提供電路穩(wěn)定性，en1、en3、en5和en6代表電阻元器件的熱噪聲，en2和en4代表放大器的電壓噪聲，in代表放大器的電流噪聲。

當(dāng)次要噪聲源低于三分之一主要噪聲源時(shí)，次要噪聲源導(dǎo)致的誤差會(huì)非常小總噪聲源就可以認(rèn)為是次要噪聲源可以忽略不計(jì)。所以需要首先評(píng)估電路每一部分的噪聲源貢獻(xiàn)，確定哪些噪聲源為主要的，這樣便于分析運(yùn)算放大器電路的噪聲性能。為了計(jì)算簡便，通?？梢杂迷肼曨l譜密度來代替實(shí)際電壓，從而將帶寬因素排除在計(jì)算之外。圖2種可以看到共有7個(gè)獨(dú)立噪聲源，包括4個(gè)電阻的約翰遜噪聲、運(yùn)算放大器電壓噪聲和運(yùn)算放大器各輸入端的電流噪聲。放大器輸出端噪聲由這些不相關(guān)噪聲源共同決定。噪聲水平一般用等效輸入噪聲來衡量，但是在分析計(jì)算過程中，輸出端噪聲比較利于方便計(jì)算，通常將求得的輸出端噪聲除以放大器的噪聲增益便可以得到等效輸入噪聲。

光電二極管以AXUV100G型號(hào)為例，等效電阻在25℃下為20M，折算至IV轉(zhuǎn)換電路輸出端噪聲密度為2.8μv/。前置放大電路采用電流轉(zhuǎn)換電壓（IV轉(zhuǎn)換）電路形式，運(yùn)算放大器選用AD公司的靜電計(jì)級(jí)放大器AD549SH，偏置電流75fA，等效輸入電壓噪聲在0.1Hz～10Hz為6μVpp，等效輸入電流噪聲在0.1Hz～10Hz為0.5fArms。反饋電阻選用100M，等效電壓噪聲密度為1.26μv/。IV轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)帶寬為10Hz，光電二極管與IV轉(zhuǎn)換電路總輸出噪聲為13.84μVrms。二級(jí)放大電路選用低噪聲精密放大器OP27A，等效輸入電壓噪聲密度為3.5nv/，在40倍增益檔位下，IV轉(zhuǎn)換電路與二級(jí)放大電路總輸出噪聲為554.3μVrms，等效為電路前端輸入電流噪聲0.14pArms。

4 結(jié)束語

本文給出了一種光電二極管讀出電路的設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化光電二極管等效電路模型和系統(tǒng)噪聲分析計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了低噪聲光電探測(cè)電路。該電路適合應(yīng)用于微弱光探測(cè)場(chǎng)合，光電流探測(cè)可達(dá)到pA量級(jí)。