文档介绍：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@
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:

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。

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。

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图 1 典型放大噪声频谱曲线

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 ,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]
F2 −1 FF3 −11n −
FF=+