一种程控增益前置放大电路的设计
2014-08-12赵延杰
赵延杰
【摘 要】本文分析了光电探测器工作特点，介绍了模拟开关ADG704和集成运算放大器OPA656的性能特点，设计了一种大动态范围程控增益前置放大电路，该电路通过模拟开关控制前置放大电路增益，放大电路增益能够达到54dB，同时进行了试验验证。
【关键词】ADG704；OPA656；脉冲激光；前置放大
0 引言
随着光电探测技术的发展及应用的日益广泛，对弱信号处理能力要求更高。激光以其单色性、方向好、抗干扰能力强等优点，其在激光探测、测距等领域得到广泛应用。激光探测系统通常由光学系统、光电探测器、低噪脉冲放大器等部分组成，主要完成激光脉冲光电转换、信号放大及输出。由于激光脉冲窄，频谱宽度宽，光信号的动态范围大等特点，要求前置放大电路具有带宽高、响应快、动态范围大，低噪声等特点[1]。所以前置放大电路设计成为光电探测系统设计的重要内容。
1 光电探测器
光电二极管通常工作在两种模式：光伏模式和光电导模式。当测量精度比速度更重要时采用光伏模式。测量速度比测量精度重要时采用光电导模式。光伏模式下，二极管零偏压，没有暗电流，线性输出，低噪声，更适用于线性小信号精密测量；光电导模式下，二极管需要反偏电压，有暗电流，噪声大，线性度较差，但灵敏度高、响应快[2-3]。
对于本文设计的光电探测系统而言，被检测光信号强度变化范围大，同时要求快速响应等特点，设计时采用光电导模式，二极管反偏置以达到对光信号快速响应的要求。
2 前置放大电路
本文采用跨阻型放大器（transresistance amplifier）设计前置放大电路。如图1所示，前置放大电路主要有光电二极管、低噪声放大器、反馈回路三部分组成。光电二极管将接收到的光信号通过光电转换为光电流信号，由放大器将光电流信号进行放大输出，反馈回路决定放大电路增益和稳定性，通过改变放大电路反馈电阻RF的大小，控制放大电路的增益。
图1 跨阻放大电路简图
图1中，IO为光电流，CD为光电二极管寄生电容，RF为跨导增益，CF为反馈电容。寄生电容、跨导增益、反馈电容等参数共同决定放大电路的频率响应。
2.1 前置放大器
本文采用美国TI公司生产的一款低噪声单位增益集成放大器OPA656。该放大器具有单位增益稳定、增益带宽积为230MHz、低输入偏置电流（2pA）、低噪声输入电压噪声（7nV/）、等特点，广泛用于宽带光电放大、ADC输入缓冲、CCD输出缓冲、采样和控制缓冲、带宽精密放大等领域[4]。
选用该集成运算放大器能够实现低输入电压电流噪声，快速响应，高带宽的要求。电路设计中，为达到最大二阶巴特沃斯频率响应，其反馈极点应设置为：
根据式（1）可得到反馈电容值。
-3dB带宽为：
下面分析放大电路噪声特性，放大电路等效输入电流噪声为：
式（3）中，为等效输入噪声电流；为放大器的反相输入电流噪声；为放大器的输入电压噪声；为二极管电容；4KT应等于1.6E-20J（温度在290K时）。
电路设计中，跨阻增益分别为50KΩ、10KΩ、1KΩ，根据式（1）至（3），计算不同增益情况下，电路反馈电容、带宽及噪声如下：
表1 反馈电容与反馈电阻及带宽
从表1中可得该设计中噪声大于放大器自身噪声参数1.3 pA/，该设计电路中噪声满足要求。
模拟输入信号选择开关
前置放大电路设计要满足输入动态范围大，输出动态范围小，高增益等要求，需要根据信号强弱控制增益放大倍数，使得输出信号大小保持在合适的范围内。本设计中采用模拟输入信号选择开关切换跨阻增益，使得输出信号能够满足后端处理电路要求。
ADG704是美国Analog Device公司生产的4路模拟输入信号选择芯片，其控制信号选择管脚为A0、A1，通过A1A0组成不同的数字组合，可以选通4路开关中的1路。该芯片具有很小的导通电阻（2.5Ω），高带宽（200MHz），开关导通截止时间短，功耗低等优点，广泛应用于电源系统、通信系统，视频开关等方面。真值表如表2所示。
表2 ADG704真值表
3 试验结果
增益控制设计思想：通过判断输出电压信号VO，模拟开关ADG704选择不同跨阻，实现对输出电压信号进行衰减，保证输出信号始终在290mV-3V之间。当输出信号小于290mV时，通过控制电路输入A1A0组合选择开关中的一个闭合，选择电阻值较大的RF；无信号时，控制电路输入A1A0组合选择50KΩ，电路始终处于增益最大位置。当输出电压信号大于3V时，控制电路输入A1A0组合，依次选择电阻值较小的，直至电路饱和输出电压3V。
试验主要验证，输出处于临界点时，模拟开关ADG704切换电阻后是否能够满足设定要求，即反馈电阻为R1、R2、R3时，保证输出电压信号范围始终在290mV-3V之间，试验结果如下表3所示：
表3 增益切换前后放大电路输出信号幅值
从表3可以看出，增益电阻为50 KΩ，输出达到2.96V时切换增益电阻为10KΩ，输出信号幅值衰减5倍；增益电阻为10KΩ，输出达到2.98V时切换增益电阻为1KΩ，输出信号幅值衰减10倍；该放大电路能够检测到光电流信号范围为6μ-3mA，输入信号动态范围为54dB，输出信号的动态范围为20dB。
4 结论
本文从理论上详细分析了程控增益前置放大电路的特点及噪声特性，并以其为指导以OPA656和ADG704为例，设计测试了程控增益前置放大电路，测试结果表明，设计电路具有输出线性良好及结构简单的优点。该程控增益放大电路实现了大动态范围输入，小动态范围输出的功能。对微弱光电信号检测系统前置放大电路的设计，具有一定的参考意义。
【参考文献】
[1]安毓英，曾晓东.光电探测原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[2]Narayan D T. Photodiode characteristics [Z]. United States： UDT Sensors Inc，2000.
[3]戈文杰，喻杰奎，胡强高，江毅.微弱光信号检测系统的研究[J].光通信研究，2013，177（3）：51-53.
[4]李日安，何海光.OPA656在激光接收中的应用[J].新特器件应用，2008，10（3）：19-20.
[责任编辑：庞修平]
【摘 要】本文分析了光电探测器工作特点，介绍了模拟开关ADG704和集成运算放大器OPA656的性能特点，设计了一种大动态范围程控增益前置放大电路，该电路通过模拟开关控制前置放大电路增益，放大电路增益能够达到54dB，同时进行了试验验证。
【关键词】ADG704；OPA656；脉冲激光；前置放大
0 引言
随着光电探测技术的发展及应用的日益广泛，对弱信号处理能力要求更高。激光以其单色性、方向好、抗干扰能力强等优点，其在激光探测、测距等领域得到广泛应用。激光探测系统通常由光学系统、光电探测器、低噪脉冲放大器等部分组成，主要完成激光脉冲光电转换、信号放大及输出。由于激光脉冲窄，频谱宽度宽，光信号的动态范围大等特点，要求前置放大电路具有带宽高、响应快、动态范围大，低噪声等特点[1]。所以前置放大电路设计成为光电探测系统设计的重要内容。
1 光电探测器
光电二极管通常工作在两种模式：光伏模式和光电导模式。当测量精度比速度更重要时采用光伏模式。测量速度比测量精度重要时采用光电导模式。光伏模式下，二极管零偏压，没有暗电流，线性输出，低噪声，更适用于线性小信号精密测量；光电导模式下，二极管需要反偏电压，有暗电流，噪声大，线性度较差，但灵敏度高、响应快[2-3]。
对于本文设计的光电探测系统而言，被检测光信号强度变化范围大，同时要求快速响应等特点，设计时采用光电导模式，二极管反偏置以达到对光信号快速响应的要求。
2 前置放大电路
本文采用跨阻型放大器（transresistance amplifier）设计前置放大电路。如图1所示，前置放大电路主要有光电二极管、低噪声放大器、反馈回路三部分组成。光电二极管将接收到的光信号通过光电转换为光电流信号，由放大器将光电流信号进行放大输出，反馈回路决定放大电路增益和稳定性，通过改变放大电路反馈电阻RF的大小，控制放大电路的增益。
图1 跨阻放大电路简图
图1中，IO为光电流，CD为光电二极管寄生电容，RF为跨导增益，CF为反馈电容。寄生电容、跨导增益、反馈电容等参数共同决定放大电路的频率响应。
2.1 前置放大器
本文采用美国TI公司生产的一款低噪声单位增益集成放大器OPA656。该放大器具有单位增益稳定、增益带宽积为230MHz、低输入偏置电流（2pA）、低噪声输入电压噪声（7nV/）、等特点，广泛用于宽带光电放大、ADC输入缓冲、CCD输出缓冲、采样和控制缓冲、带宽精密放大等领域[4]。
选用该集成运算放大器能够实现低输入电压电流噪声，快速响应，高带宽的要求。电路设计中，为达到最大二阶巴特沃斯频率响应，其反馈极点应设置为：
根据式（1）可得到反馈电容值。
-3dB带宽为：
下面分析放大电路噪声特性，放大电路等效输入电流噪声为：
式（3）中，为等效输入噪声电流；为放大器的反相输入电流噪声；为放大器的输入电压噪声；为二极管电容；4KT应等于1.6E-20J（温度在290K时）。
电路设计中，跨阻增益分别为50KΩ、10KΩ、1KΩ，根据式（1）至（3），计算不同增益情况下，电路反馈电容、带宽及噪声如下：
表1 反馈电容与反馈电阻及带宽
从表1中可得该设计中噪声大于放大器自身噪声参数1.3 pA/，该设计电路中噪声满足要求。
模拟输入信号选择开关
前置放大电路设计要满足输入动态范围大，输出动态范围小，高增益等要求，需要根据信号强弱控制增益放大倍数，使得输出信号大小保持在合适的范围内。本设计中采用模拟输入信号选择开关切换跨阻增益，使得输出信号能够满足后端处理电路要求。
ADG704是美国Analog Device公司生产的4路模拟输入信号选择芯片，其控制信号选择管脚为A0、A1，通过A1A0组成不同的数字组合，可以选通4路开关中的1路。该芯片具有很小的导通电阻（2.5Ω），高带宽（200MHz），开关导通截止时间短，功耗低等优点，广泛应用于电源系统、通信系统，视频开关等方面。真值表如表2所示。
表2 ADG704真值表
3 试验结果
增益控制设计思想：通过判断输出电压信号VO，模拟开关ADG704选择不同跨阻，实现对输出电压信号进行衰减，保证输出信号始终在290mV-3V之间。当输出信号小于290mV时，通过控制电路输入A1A0组合选择开关中的一个闭合，选择电阻值较大的RF；无信号时，控制电路输入A1A0组合选择50KΩ，电路始终处于增益最大位置。当输出电压信号大于3V时，控制电路输入A1A0组合，依次选择电阻值较小的，直至电路饱和输出电压3V。
试验主要验证，输出处于临界点时，模拟开关ADG704切换电阻后是否能够满足设定要求，即反馈电阻为R1、R2、R3时，保证输出电压信号范围始终在290mV-3V之间，试验结果如下表3所示：
表3 增益切换前后放大电路输出信号幅值
从表3可以看出，增益电阻为50 KΩ，输出达到2.96V时切换增益电阻为10KΩ，输出信号幅值衰减5倍；增益电阻为10KΩ，输出达到2.98V时切换增益电阻为1KΩ，输出信号幅值衰减10倍；该放大电路能够检测到光电流信号范围为6μ-3mA，输入信号动态范围为54dB，输出信号的动态范围为20dB。
4 结论
本文从理论上详细分析了程控增益前置放大电路的特点及噪声特性，并以其为指导以OPA656和ADG704为例，设计测试了程控增益前置放大电路，测试结果表明，设计电路具有输出线性良好及结构简单的优点。该程控增益放大电路实现了大动态范围输入，小动态范围输出的功能。对微弱光电信号检测系统前置放大电路的设计，具有一定的参考意义。
【参考文献】
[1]安毓英，曾晓东.光电探测原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[2]Narayan D T. Photodiode characteristics [Z]. United States： UDT Sensors Inc，2000.
[3]戈文杰，喻杰奎，胡强高，江毅.微弱光信号检测系统的研究[J].光通信研究，2013，177（3）：51-53.
[4]李日安，何海光.OPA656在激光接收中的应用[J].新特器件应用，2008，10（3）：19-20.
[责任编辑：庞修平]
【摘 要】本文分析了光电探测器工作特点，介绍了模拟开关ADG704和集成运算放大器OPA656的性能特点，设计了一种大动态范围程控增益前置放大电路，该电路通过模拟开关控制前置放大电路增益，放大电路增益能够达到54dB，同时进行了试验验证。
【关键词】ADG704；OPA656；脉冲激光；前置放大
0 引言
随着光电探测技术的发展及应用的日益广泛，对弱信号处理能力要求更高。激光以其单色性、方向好、抗干扰能力强等优点，其在激光探测、测距等领域得到广泛应用。激光探测系统通常由光学系统、光电探测器、低噪脉冲放大器等部分组成，主要完成激光脉冲光电转换、信号放大及输出。由于激光脉冲窄，频谱宽度宽，光信号的动态范围大等特点，要求前置放大电路具有带宽高、响应快、动态范围大，低噪声等特点[1]。所以前置放大电路设计成为光电探测系统设计的重要内容。
1 光电探测器
光电二极管通常工作在两种模式：光伏模式和光电导模式。当测量精度比速度更重要时采用光伏模式。测量速度比测量精度重要时采用光电导模式。光伏模式下，二极管零偏压，没有暗电流，线性输出，低噪声，更适用于线性小信号精密测量；光电导模式下，二极管需要反偏电压，有暗电流，噪声大，线性度较差，但灵敏度高、响应快[2-3]。
对于本文设计的光电探测系统而言，被检测光信号强度变化范围大，同时要求快速响应等特点，设计时采用光电导模式，二极管反偏置以达到对光信号快速响应的要求。
2 前置放大电路
本文采用跨阻型放大器（transresistance amplifier）设计前置放大电路。如图1所示，前置放大电路主要有光电二极管、低噪声放大器、反馈回路三部分组成。光电二极管将接收到的光信号通过光电转换为光电流信号，由放大器将光电流信号进行放大输出，反馈回路决定放大电路增益和稳定性，通过改变放大电路反馈电阻RF的大小，控制放大电路的增益。
图1 跨阻放大电路简图
图1中，IO为光电流，CD为光电二极管寄生电容，RF为跨导增益，CF为反馈电容。寄生电容、跨导增益、反馈电容等参数共同决定放大电路的频率响应。
2.1 前置放大器
本文采用美国TI公司生产的一款低噪声单位增益集成放大器OPA656。该放大器具有单位增益稳定、增益带宽积为230MHz、低输入偏置电流（2pA）、低噪声输入电压噪声（7nV/）、等特点，广泛用于宽带光电放大、ADC输入缓冲、CCD输出缓冲、采样和控制缓冲、带宽精密放大等领域[4]。
选用该集成运算放大器能够实现低输入电压电流噪声，快速响应，高带宽的要求。电路设计中，为达到最大二阶巴特沃斯频率响应，其反馈极点应设置为：
根据式（1）可得到反馈电容值。
-3dB带宽为：
下面分析放大电路噪声特性，放大电路等效输入电流噪声为：
式（3）中，为等效输入噪声电流；为放大器的反相输入电流噪声；为放大器的输入电压噪声；为二极管电容；4KT应等于1.6E-20J（温度在290K时）。
电路设计中，跨阻增益分别为50KΩ、10KΩ、1KΩ，根据式（1）至（3），计算不同增益情况下，电路反馈电容、带宽及噪声如下：
表1 反馈电容与反馈电阻及带宽
从表1中可得该设计中噪声大于放大器自身噪声参数1.3 pA/，该设计电路中噪声满足要求。
模拟输入信号选择开关
前置放大电路设计要满足输入动态范围大，输出动态范围小，高增益等要求，需要根据信号强弱控制增益放大倍数，使得输出信号大小保持在合适的范围内。本设计中采用模拟输入信号选择开关切换跨阻增益，使得输出信号能够满足后端处理电路要求。
ADG704是美国Analog Device公司生产的4路模拟输入信号选择芯片，其控制信号选择管脚为A0、A1，通过A1A0组成不同的数字组合，可以选通4路开关中的1路。该芯片具有很小的导通电阻（2.5Ω），高带宽（200MHz），开关导通截止时间短，功耗低等优点，广泛应用于电源系统、通信系统，视频开关等方面。真值表如表2所示。
表2 ADG704真值表
3 试验结果
增益控制设计思想：通过判断输出电压信号VO，模拟开关ADG704选择不同跨阻，实现对输出电压信号进行衰减，保证输出信号始终在290mV-3V之间。当输出信号小于290mV时，通过控制电路输入A1A0组合选择开关中的一个闭合，选择电阻值较大的RF；无信号时，控制电路输入A1A0组合选择50KΩ，电路始终处于增益最大位置。当输出电压信号大于3V时，控制电路输入A1A0组合，依次选择电阻值较小的，直至电路饱和输出电压3V。
试验主要验证，输出处于临界点时，模拟开关ADG704切换电阻后是否能够满足设定要求，即反馈电阻为R1、R2、R3时，保证输出电压信号范围始终在290mV-3V之间，试验结果如下表3所示：
表3 增益切换前后放大电路输出信号幅值
从表3可以看出，增益电阻为50 KΩ，输出达到2.96V时切换增益电阻为10KΩ，输出信号幅值衰减5倍；增益电阻为10KΩ，输出达到2.98V时切换增益电阻为1KΩ，输出信号幅值衰减10倍；该放大电路能够检测到光电流信号范围为6μ-3mA，输入信号动态范围为54dB，输出信号的动态范围为20dB。
4 结论
本文从理论上详细分析了程控增益前置放大电路的特点及噪声特性，并以其为指导以OPA656和ADG704为例，设计测试了程控增益前置放大电路，测试结果表明，设计电路具有输出线性良好及结构简单的优点。该程控增益放大电路实现了大动态范围输入，小动态范围输出的功能。对微弱光电信号检测系统前置放大电路的设计，具有一定的参考意义。
【参考文献】
[1]安毓英，曾晓东.光电探测原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[2]Narayan D T. Photodiode characteristics [Z]. United States： UDT Sensors Inc，2000.
[3]戈文杰，喻杰奎，胡强高，江毅.微弱光信号检测系统的研究[J].光通信研究，2013，177（3）：51-53.
[4]李日安，何海光.OPA656在激光接收中的应用[J].新特器件应用，2008，10（3）：19-20.
[责任编辑：庞修平]
