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文本内容:
1引言-2-2基本原理-3-
2.1光电二极管的技术参数-3-
2.2光电二极管的种类-4-
2.3光电转换电路-5-
2.4前置放大电路-7-3设计分析-7-4结果探讨-8-参考文献-8-引言1光的信息就存在于光强和相位中而相位信息又是通过干涉转化成强度信息进行测量的,故光强的测量是很重要的检测目标光强变更的检测要针对光的变更特性进行设计第一,入射光从频谱方面分析有单色的,有白光的,有特定光谱的;其次,光强有缓变和快变之分,一天之中日光强度的变更就属于缓变,再快一点的话如屏幕上木一个像素点随动画播放强度的变更,更快的还有人眼无法识别的,这将涉及到器件的响应度;第三,光强有变更幅度的问题,变更幅度有大有小针,这将涉及到器件的灵敏度;第四,光强的静态点,假如静态点在零点,且属于小幅度变更便属于微光检测本段是对光源的分析,这是设计的目的,志向的检测是能针可以检测随意光强处,光强度的极高频极微弱变更,明显这是无法达到的,只对特定的需求进行设计光电检测的第一步是分析光,及其设计目标其次步是光感应器件第三步是配套电路光电器件涉及到半导体,光与物质间的作用和原件制备工艺与技巧等学问,这些会影响器件的性能误差等参数再依据电子技术学问,通过电路优化消退误差,可得出志向的电路误差的来源有光电器件的非线性性质,外界温度,放大器件本身的噪声能感应光强的器件有光敏电阻,光电池,光电二极管(PIN管,雪崩管等),复合光电三极管,光电三极管其中响应最慢的是光敏电阻,他不但惯性大,还具有前历效应本试验选用光电二极管,它具有较快的动态响应光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而变更的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大光敏电阻器一般用于光的测量、光的限制和光电转换(将光的变更转换为电的变更)通常,光敏电阻器都制成薄片结构,以便汲取更多的光能当它受到光的照耀时,半导体片(光敏层)内就激发出电子一空穴对,参加导电,使电路中电流增加光电二极管和一般二极管一样,也是由一个PN结组成的半导体器件,也具有单方向导电特性但是,在电路中它是通过它把光信号转换成电信号光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光光电二极管是在反向电压作用在工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流快速增大到几十微安,称为光电流光的强度越大,反向电流也越大光强的变更引起光电二极管电流变更,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件本试验采纳光电二极管,完成对低频微弱光信号的检测对微弱或极微弱光的检测,在科学探讨,生活应用和军事等领域有广泛的应用为将微弱光信号转换为电信号以便利后级电路处理,设计了针对于微弱光信号检测电路电路由光电转换和前置放大两部分组成该放大电路设计可有效放大低于InW的微弱输入信号,同时对噪声也有很强的抑制作用微弱光信号检测的一般方法是通过光电转换器件将微弱的光信号转换成为微弱电信号,然后再通过电路放大,将这个微弱电信号转变为可处理的电信号微弱光信号检测的难点在于光电信都很微弱,所以制作低噪声、高精度光电放大器是关键所在现在一般采纳光电转换电路和前置放大电路组成放大器的方法,并且多采纳专用集成电路来构建电路全部采纳专用集成电路的方法缺乏敏捷性,在有些应用中并不特别合适,因此本文比较了专用集成电路和相对分立的元器件构成的两种放大器其中光电转换电路采纳低输入偏置电流放大器AD549为主构成前置放大电路采纳两种方式一种运用对管和高精度集成运放0P07构成对数的放大电路;另一种运用专用集成电路L0G100实际表明在输入为微弱光信号状况下,分立电路更能有效抑制干扰信号,并为后继处理输出有效信号基本原理2电路由光电转换和前置放大两部分组成光电转换电路采纳低输入偏置电流运算放大器AD549实现;前置放大电路运用对称三极管组成的对数比率放大电路实现,光电二极并在同等条件下与集成电路LOG100组成的前置放大电路相比较
2.1管的技术参数
1.最高反向工作电压;
2.暗电流;光电耦合器的输出特性是指在肯定的发光电流I下,光敏管所加偏置电压VF CE与输出电流Ic之间的关系,当IF=0时,发光二极管不发光,此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流,一般很小暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流.(它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流.)
3.光电流;
4.灵敏度;
5.结电容;
6.正向压降;
7.响应度响应度是光生电流与产生该事务光功率的比工作于光导模式时的典型表达为A/W响应度也常用量子效率表示,即光生载流子与引起事务光子的比
8.噪声等效功率噪声等效功率(NEP)等效于1赫兹带宽内均方根噪声电流所需的最小输入辐射功率,是光电二极管最小可探测的输入功率
9.频率响应特性光电二极管的频率特性响应主要由3个因素确定a.光生载流子在耗尽层旁边的扩散时间;b.光生载流子在耗尽层内的漂移时间;c.负载电阻与并联电容所确定的电路时间常数光电二极管与光电倍增管相比,具有电流线性良好、成本低、体积小、重量轻、寿命长、量子效率高(典型值为80%)及无需高电压等优点,且频率特效好,相宜于快速变更的光信号探测不足是面积小、无内部增益(雪崩光电管的增益可达100~1000,光电倍增管的增益则可达100000000)、灵敏度较低(只有特殊设计后才能进行光子计数)以及相应时间慢,且工艺要求很高光电二极管和一般的半导体二极管相像,可以暴露(探测真空紫外)或用窗口封装或由光纤连接来感光光电二极管的种类
2.2PN型特性优点是暗电流小,一般状况下,响应速度较低用途照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计PIN型特性缺点是暗电流大,因结容量低,故可获得快速响应用途高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真放射键型特性运用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体用途主要用于紫外线等短波光的检测雪崩型特性响应速度特别快,因具有倍速做用,故可检测微弱光用途高速光通信、高速光检测光电转换电路
2.3光电二极管是光电转换电路中的主要器件,其灵敏度和动态响应速度是整个检测电路工作速度和精度的先决条件[『5]本试验中光电二极管运用PIN硅光电二极管S1227-66B,它具有灵敏度高,暗电流小的优点图1为试验中采纳的光电转换电路的发等效电路由理论分析可知,电路输出电压为u=I*R=S*P*RF F01式中S为光电二极管的灵敏度;P为入射光功率试验中光电二极管的灵敏度为.36A/W,入射光功率为nW量级,R值为数百k Q数百M Q,输出电压u°iS F〜的值为几mV几十mV电路中C用于防止电路自激振荡和抑制噪声干扰,同时也〜F限制电路的带宽1/2R C,保证电路工作在良好的线性条件下,也减小了带外干JI FF扰的影响图光电转换电路1在微弱光信号检测中,因输人的光功率通常在0到几十nW之间,光电探测器输出的光电流约为几个到几十nA之间,故对前级运算放大器图
1、图2IC0的要求较高为了获得较好的信噪比,一般要求输人偏置电流比输人信号小12个数量〜级本试验中选择了具有较低的输入失调电压和极低输入偏置电流的AD549作为前级放大电路的运放图2为光电二极管等效电路,输入偏置电流3对输出电压的影响为I XR,输入失调电压V对输出电压的影响为1+R/RV为得到较高的输出电B FB OFS B压,试验中R取数百MQ由于AD549s系列的输入偏置电流不超过lOOfA,所以片对F输出电压的影响一般为十几个UV,通常可忽视不计光电二极管内阻Rs的值约为10MQ,AD549s的输入失调电压在
0.3mV左右,这样V对输出电压的影响可能达到B几个mV,对于微弱信号的检测有较大影响为了减小这种影响,R的值不宜选择过F大,同时接入微调电阻,将输入失调电压降为最小图光电二极管等效电路2前置放大电路
2.4光电转换及放大电路输出的信号只有mV量级,因此须要工作稳定的低噪声前置放大电路将信号进一步放大,以便与后续的限制和运算系统对接由于对数比率放大电路相对于线性放大电路具有限制简洁、动态范围大和线性度好的优点,且对数放大电路能够实现数据压缩的功能,便利与A/D转换器连接,本试验中采纳对数比率放大电路作为前置放大电路,如图3所示前置放大电路为了克服温度的影响,电路中采纳了2只对称匹配的晶体三极管来消退晶体管集电极电流的温度漂移同时,由于如还与U(温度电压当量,约为26mV)有关,T而U受温度影响较大,本试验中利用具有正温度系数的电阻R5来补偿5的温度影T响IC1和IC2均采纳低噪声高精度集成运放OP07,C和C2用于相位补偿,保证FI F闭环工作的稳定性由图3知R5R]U2,R3+R4+R5ul取R]=R2,则0=,一9——-U ln—UT oK5u2将光电转换电路的输出u°i接在前置放大电路的ul端,调整u2的值即可得到不同的增益最终的结果为u设计分析3光电二极管运用PIN硅光电二极管S1227-66B光电二极管的灵敏度S为
0.o36A/W,入射光功率P为nW量级,R值为数百k Q数百M,输出电压的值为几F〜mV几十mVo〜试验中选择了具有较低的输入失调电压和极低输入偏置电流的AD549作为前级放大电路的运放调整u2可得到不同的增益ul=u=I*R=S*P*RF F01R3+R4+R5ulUo=一可—In而由反馈电压u0,增益电压u2和上式中固定参数可求出入射光功率P结果探讨4此光强测量方法可以完成对nW量级的光强测量优点是通过温度反馈消退了温度对测量精度的影响有待改进之处是,增加后续电路还可以完成对测量数据的数字式显示,存储和其他运算参考文献
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