通信系统逐渐采用光纤传输代替传统技术，光纤通信的进步要求配套的测量技术和测量仪器不断进步。在科研和生产过程中为了探测和采集更高频率的目标光电信号，对光电探测器的性能和数据采集速率的要求越来越高^{[1, 2]}。

传统光电探测器的光电转换系统很难在保持高速的同时实现大的动态范围^{[3, 4, 5]}，在高速大动态光电转换的实际应用中，通常采用自动量程切换的设计方案。量程切换的核心思想是利用高速开关切换通道改变反馈阻值的大小，从而改变运放的放大倍数。然而，高速开关在切换通道时产生的脉冲噪声对于高速信号是不可忽视的噪声干扰^[6]。该噪声会使高速运放进入饱和区，延迟响应时间，使光电转换系统速率降低^{[6, 7, 8]}。

本文选择在切换通道旁并联三极管作为泄流管来有效抑制噪声，通过分析其中的原理和实验仿真得以验证。

三极管作高速开关泄流管的电路结构如图 1所示，主要由以下6个部分组成：

图1

图1 三极管作泄流管的电路结构

1) 光电二极管；

2) 高速运算放大器；

3) 反馈电阻；

4) 滤波电容；

5) 高速开关；

6) NPN型三极管。

光电二极管可等效为一个电流源${I_{\rm{D}}}$、分流电阻${R_{\rm{D}}}$和一个结电容${C_{\rm{D}}}$并联^[9]，如图 2所示。

图2

图2 光电二极管等效电路

光电二极管的等效电流源的电流目前有以下3个潜在通路可分流：

1) 运放的跨接电阻${R_{\rm{F}}}$；

2) 光电二极管的等效分流电阻${R_{\rm{D}}}$；

3) 运算放大器的内阻${r_{\rm{i}}}$。

由于${r_{\rm{i}}}$>>${R_{\rm{D}}}$>>${R_{\rm{F}}}$，3个通道都闭合的情况下，大部分电流会从跨接电阻${R_{\rm{F}}}$上流走，流过光电二极管的等效分流电阻${R_{\rm{D}}}$的电流很少。所以光电二极管在${R_{\rm{D}}}$上形成的电压很小，几乎为零，作为运算放大器反相输入端的输入电压V_n不会使运放进入饱和区，而是工作在线性区^[10]。

三极管基极有正向电压时，射极与基极间形成正向压降，集电极与基极间形成反向压降，满足三极管的放大状态要求^{[11, 12]}。射极到集电极通路的等效电阻可通过实验得出，其结果如表 1所示。由实验数据可知，影响三极管射极与集电极间电阻特性主要是基极电压。基极电压达到0.5 V(电阻为3.0×10⁶ Ω)以上，可视为远小于光电二极管漏电阻${R_{\rm{D}}}$。

表1

表1 不同基极电压下三极管集电极与射极间电阻特性 (集电极电压VC=12 V，射极电压VE=0 V)

表1 不同基极电压下三极管集电极与射极间电阻特性 (集电极电压VC=12 V，射极电压VE=0 V) 三极管基极电压 /V 三极管射极电流 /A 集电极与射极间电阻 /Ω 0 0.016×10-9 7.5×1011 0.1 0.028×10-9 4.3×1011 0.2 0.143×10-9 8.4×1010 0.3 2.400×10-9 5.0×109 0.4 0.087×10-6 1.4×108 0.5 3.944×10-6 3.0×106 0.6 0.184×10-3 6.5×104 0.7 6.108×10-3 2.0×103 0.8 0.037 324 0.9 0.074 162 1.0 0.107 112

高速开关在工作时，总有一路处于选通状态，但是开关切换通道的瞬间，还是有断开的过程。

开关闭合时，电路中的电流回路如图 3中空心箭头所示，在运算放大器反相输入端产生接近于0的电压；开关断开后，跨接电阻通道断开的电流回路如图 3中黑箭头所示。

图3

图3 不加三极管的放大电路

光电二极管产生的电流${I_{\rm{d}}}$大部分流向光电二极管的等效分流电阻${R_{\rm{D}}}$，在${R_{\rm{D}}}$上形成的电压很大，作为运算放大器反相输入端的输入电压${V_{\rm{n}}}$，使运算放大器进入深度饱和区，影响信号的响应速率。

小信号的瞬态响应在上升沿和下降沿都会有脉冲。对于低速电路，由于瞬态响应时间比较长，脉冲时间只占瞬态响应过程的小部分，几乎不会影响后续数据采集电路的采样精度。而高速运算放大器转换速率很高，瞬态响应时间很短暂，都使瞬态响应出现的边沿脉冲在整个响应过程中不能忽略。加上过载恢复时间的作用，边沿脉冲占的比例还会更大，使得高速电路出现脉冲噪声的干扰。

在开关旁并联三极管，开关断开后，电路中的电流回路如图 4中实心箭头所示。三极管基极电压由运算放大器输出端提供，发射极正偏，集电极反偏。三极管集电极到射极通路阻抗远小于光电二极管等效电阻${R_{\rm{D}}}$，光电探测器产生的大部分电流可以通过三极管射极与集电极的通路流走，只有很少一部分电流流过${R_{\rm{D}}}$。运算放大器反相输入端的电压${V_{\rm{n}}}$几乎为零，运算放大器不会进入饱和区。

图4

图4 加三极管的放大电路

被选通的三极管基极电压由运算放大器输出端提供，可进入泄流模式；未被选通的三极管基极处于悬空状态，三极管无法导通；高速开关闭合后，三极管基极与发射极接在同一端，三极管无法导通。

综上所述，三极管的泄流作用运用了三极管的电阻特性。开关断开时，三极管相当于通路，将光电二极管的电流导出，使运算放大器输入端电压稳定在很小值；开关闭合后，三极管又相当于开路，不影响电路的输出。

用压控开关模拟高速开关的断开和闭合，给压控开关加2 ms的方波电压，则开关的断开与闭合的周期为2 ms。输入电压与输出电压仿真结果如图 5所示。通道A和通道B分别测量输入和输出电压。由标线T1(粗实线)知，开关闭合时，输入电压为1.654mV，输出电压为-101.670 mV，运算放大器工作在线性区；由标线T2(粗虚线)可知，开关断开后，输入电压上升到-4.820 V，输出电压立刻跳变到5.000 V，运算放大器进入饱和区。

图5

图5 输入电压与输出电压仿真结果(不加三极管)

由运算放大器从饱和区回到线性区的下降沿可观察到抖动，其输出放大后的细节如图 6所示。由标线T2-T1可知，开关闭合后，运算放大器输出电压从饱和区值回到有效输值时间大约为42.992 μs。

图6

图6 放大器输出端细节(不加三极管)

输出电压与输入电压仿真结果如图 7所示。对比图 5与图 7可知，加三极管后运算放大器很明显地稳定在了线性区。由标线T1可知，开关闭合时，输入电压为-102.572 μV，输出电压为99.897 mV；由标线T2可知，开关断开后，运算放大器输入电压为-104.149 μV，输出电压为428.802 mV，由于三极管${V_{{\rm{be}}}}$的影响使得运放在开关断开后的输出电压大于开关闭合时的输出电压，但远小于饱和电压5 V，运放稳定在线性区。运算放大器输入电压几乎为零，而且稳定效果很好，只有在开关闭合瞬间有极窄抖动，对其输出影响不大。

图7

图7 输入电压与输出电压仿真结果(加三极管)

在开关闭合瞬间，运算放大器输出端电压细节如图 8所示。由标线T1-T2可知，加三极管后运算放大器由于没有进入饱和区，输出下降到有效电压值的时间大约为386.364 ns。相比图 6与图 8，可明显发现时间缩短了2个数量级。

图8

图8 放大器输出端细节(加三极管)

三极管的泄流作用对于高速开关切换通道产生的脉冲噪声有极好的抑制效果，有效缩短了输出信号下降沿的恢复时间，使信号能够在高速大动态的情况下保持稳定有效的输出。