摘 要：以低噪声电路理论为依据，设计了激光陀螺光电检测电路，并详细讨论了电路中元器件的筛选方法。
关键词：激光陀螺；光电检测；信噪比；噪声模型
A Low-noise Design of Photoelectric DetectionCircuit for Laser Gyro
LIU Zheng-qi
(Department of Computer Science, Longdong University , Qingyang745000,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Based on the theory of low-noise circuit, this paper presents a design of photoelectric detection circuit for laser Gyro, along with the method for choosing its components.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Laser gyro; Photoelectric detection; Signal to noise ratio; Noise model
激光陀螺是利用环行激光谐振腔中顺、逆时针方向传播的激光频差来反映它相对惯性空间转动的一种导航器件。检测电路作为激光陀螺的重要组成部分，其主要任务是把从谐振腔中输出的微弱陀螺光信号（光电流为纳安级）进行光电转换、放大、整形、计数等，输出与陀螺转速成正比的脉冲信号，从而确定它相对于惯性空间的转速。通常利用光电二极管作为激光探测器件对信号进行光电转换、放大。由于陀螺信号很微弱，加之背景噪声和电路热噪声等，严重影响了光电信号的检测。从接收信号中消除或减弱干扰噪声，以获得最小非线性失真信号，提高信号检测的灵敏度就成为十分重要的问题。
本文从实用电路低噪声设计的要求出发，利用低噪声场效应管与集成运算放大器组成复合式电流电压转换器电路，有效地解决了探测器与负载的噪声匹配问题。实验证明：该电路具有较高的灵敏度，可以满足激光陀螺的实用要求。
一、共源极场效应管输入级工作特性分析
1. 连接方式选择
用场效应管作为输入级，一般有共源极和共漏极两种连接方式。理论分析可知，共源极接法可获得较大的电压放大倍数；共漏极接法的栅漏极结电容Cgd影响较小，没有密勒效应；两者在中频区的噪声特性大体相同，而在高频区噪声特性共源极远好于共漏极［1］。根据级联放大器的噪声公式［2］：
式中F为n级放大器总的噪声系数;
Enj为第j级放大器总的输入噪声电压;
KVj为第j 级放大器的电压增益。
为了尽可能减小后级（从第二级开始）噪声对前级的影响，应尽可能增大第一级的电压增益KV1,所以从前置放大器要求最大限度减小噪声出发，以共源极接法为好。这时尽管由于密勒效应使栅漏极Cgd等效到输入端的电容大约为几个皮法，相对于光电二极管的十几或几十皮法的Cgd来说影响是不大的。
2共源极场效应管等效输入噪声估算
描述场效应管噪声特性的模型如图1所示，这是共源极组态，图中栅极漏电流通过栅源PN结产
电流，k′为由器件决定的常数，a为0.5~2之间的常数，C为2/3~2 之间的常数，由器件本身的性质决定，gm为场效应管工作点的低频跨导。
下面计算场效应管En-In模型中的2个噪声参数En、In。根据文献［3］所述的En和In的测量方法，令图1中输入短路Rs，仅推算En对输入短路噪
另一方面，由于输入短路，根据图1有
将（3）式代入（2）中化简得：
在输入开路(Rs→∞)条件下，求得：
根据文献 ［3］论述，一般Ｊ－FET场效应管的1/f噪声主要在低频（f＜＜1kHz）时起作用，落在我们所使用的低频范围之外，故式（4）和式（5）中有关噪声项可以忽略不计。于是公式可化简为
对于2SK212型场效应管而言，gm=4 mA/V，取Cgs+Cgd=4.00 pF，比例常数C＝1.50，IG≤0.1 μA，当Δf=1.0 MHz时，计算得到En=2.4
因此，选择性能优异的输入级器件，对于改善整个电路的噪声特性是至关重要的。
二、复合式场效应管电流电压转换器电路设计
1复合式场效应管电流电压转换器电路组成
为了改善光电检测电路的高频响应特性，同时又使电路具有尽可能高的信噪比，我们来考虑用单级场效应管与高输入阻抗集成运算放大器组成复合式电流电压转换器，电路如图2所示。共源极接法 的场效应管A1与组成比例放大器的集成运放A2串联组成一个复合式高输入阻抗电流电压转换器，将来自光电二极管的微弱光电流转换并放大成为检测电路所需的电压信号，此时复合放大器的开环增益是共源极场效应管输入级与集成运算放大器组成的比例放大器闭环增益的乘积。为了提高复合放大器的开环增益，可取Rs=0，使内环反馈环节R1、Rf2的比值在整个电路频率允许的范围内尽可能大。此时由A1与A2组成的复合式放大器输入阻抗很高，流入场效应管A1的栅极电流几乎为零，故电流Ii经Rf1到输出端U0点，由图可知： ＝-A·Ui，故复合式电流电压转换器的转换系数为
2. 器件及其它外部元件的确定
为了降低栅极散粒噪声对电路性能的影响，选用结型低噪声场效应管2SK212进行实验，运算放大器选择低频输入偏流小、低噪声、宽带运算放大器AD843，其主要参数为：增益带宽积GB=34 MHz，输入电压噪声Ein=19 nV/Hz，输入失调电压Ui0=1 mV，输入偏置电流Uib=0.6nA，输入阻抗Rin=1010Ω，输入电容Cin=6.0 pF。整个光电检测电路由光电二极管（2CUGS）、稳频取样电路、耦合电容器等器件组成的输入级、复合式电流电压转换器（2SD212、AD843）、电压放大器（AD843）级间藕耦合选用0.47 μF的电容器与1.2 MΩ电阻组成高通滤波器实现，并且运算放大器采用同相输入方式。实验证明：该电路具有灵敏度高、动态范围大、工作性能稳定、便于集成等特点，已用于激光陀螺光电检测电路中。
参考文献
［1］蒋唤文,冯锡生.放大电路噪声分析［M］.北京:高等教育出版社,1987.99～101
［2］胡士凌,孔得人.光电子线路［M］.北京:北京理工大出版社,1996
［3］张广发.电路噪声计算与测量［M］.长沙:国防科技大学出版社,1994.
［4］ANALOG DEVICES.High speed low power monolithic Op Amp. AD843［Ｚ］
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