低噪聲光電檢測(cè)電路

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 光電檢測(cè)技術(shù) 題 目 低噪聲光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 應(yīng)用物理 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 2013年3月1日第1章 概述1.1 光電二極管的工作原理概述光電二極管工作原理光電二極管是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個(gè)PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。 光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能

2、量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，稱為光生載流子。1.2 基于光電二極管的低噪聲光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的意義經(jīng)過光電二極管轉(zhuǎn)換的電信號(hào)通常都比較微弱，微弱光電信號(hào)檢測(cè)的光電流一般為nA至A級(jí)，檢測(cè)微弱光電信號(hào)很容易受噪聲的干擾。若待檢測(cè)的光信號(hào)非常微弱，則對(duì)電路的線性和信噪比的要求就非常高。研究結(jié)果表明，在光電檢測(cè)電路中，光電轉(zhuǎn)換器件和前置放大電路的噪聲對(duì)系統(tǒng)影響比較大。例如，在靶場(chǎng)測(cè)試中，彈丸射擊密集度是衡量低伸彈道武器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。到目前為止，國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)用于密集度測(cè)量已有多種方法，最先進(jìn)的方法是采用光電靶進(jìn)行測(cè)量。在設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路時(shí)，要盡量減少噪聲，提高

3、系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)分辨率。研究結(jié)果表明，在光電檢測(cè)電路中，光電轉(zhuǎn)換器和前置放大電路的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響比較大，但對(duì)噪聲源的分析及設(shè)計(jì)低噪聲光電檢測(cè)電路的論述并不全面。本文分析了基于光電二極管光電檢測(cè)電路中噪聲產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)，提出了低噪聲光電二極管檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)方法。在測(cè)試中，光電靶的靈敏度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，而影響光電靶靈敏度的關(guān)鍵因素就是信號(hào)調(diào)理電路中放大電路的放大倍數(shù)和信噪比，因此設(shè)計(jì)性能良好的前置放大電路對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有著非常重要的作用。可見良好的低噪聲光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)在很多方面都發(fā)揮著重要的作用。1.3 基于光電二極管的低噪聲光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的前景展望通過分析光電二

4、極管光電檢測(cè)電路中噪聲產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)，征對(duì)設(shè)計(jì)過程出現(xiàn)的各種問題，提出低噪聲光電二極管檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路時(shí)，要盡量減小噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)分辯率。微弱光信號(hào)的檢測(cè)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，檢測(cè)方法多種多樣，但常用的方法由于靈敏度有限，難以滿足要求，應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)微弱光信號(hào)具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。第2章 光電二極管工作原理及電路設(shè)計(jì)原理2.1 光電二極管的主要工作原理光電二極管是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。它的核心部分是一個(gè)PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深

5、很淺，一般小于1微米。光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。光電二極管作為一種光伏探測(cè)器可以在光伏型（即物外加偏壓）和光導(dǎo)型（即外加反向電壓）兩種工作模式工作。在

6、光導(dǎo)模式下，施加反向偏壓后，可以增加光電二極管PN結(jié)的耗盡層寬度好和結(jié)電場(chǎng)，在耗盡層中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)由于復(fù)合較少，在結(jié)區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，不必經(jīng)過引起復(fù)合的擴(kuò)散過程，就可以對(duì)電流作出貢獻(xiàn)，顯然提高了光電二極管的光電靈敏度。但在這種模式下，由于給光電二極管施加了反向偏置電壓，必然存在較大的暗電流，由此會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲電流，通常在光電通信等快速應(yīng)用中應(yīng)該使用該模式；而在光伏模式下，光電二極管處于零偏狀態(tài)，不存在等效二極管的反偏電流，有較低的噪聲，線性好，適合于比較精確的測(cè)量。下面詳細(xì)的介紹光電二極管的光伏型工作模式。2.2 光伏模式檢測(cè)電路的分析光電二極管的光伏檢測(cè)電路及其等效電路如圖1。圖中是光

7、電二極管接受光輻射后所產(chǎn)生的光電流；是串聯(lián)電阻，由接觸電阻、非耗盡層材料的體電阻所組成，大小同光電二極管尺寸、結(jié)構(gòu)和偏壓有關(guān)，偏壓越大，耗盡區(qū)越寬，越小，對(duì)于大面積的硅光電二極管，的值一般在幾歐姆至幾十歐姆之間；是光電二極管的結(jié)電容，它的大小同光電二極管尺寸、結(jié)構(gòu)和偏壓有關(guān)，可從幾千皮法的幾千皮法之間變化；是光電二極管的并聯(lián)電阻，由光電二極管耗盡層電阻和污染引起的漏電阻所組成。它也是所溫度的變化而變化，與光電二極管尺寸有關(guān)，結(jié)面積越小，越大；溫度越高，越小。對(duì)不同光電二極管的數(shù)值變化范圍很大，可從幾十千歐到上百兆歐；D為PN結(jié)等效二極管，為負(fù)載電阻。RLRSRDCpoISIP圖1 光電二極管的

8、光伏模式和等效電路在圖1中，光電二極管等效電路通過等效二極管D的電流為 (1)A是有關(guān)常數(shù)，對(duì)于硅光電二極管，稱為熱電壓。由圖1可知，流過負(fù)載電阻上的電流為 (2)由公式（2）可知光電二極管接受光輻射時(shí)輸出的負(fù)載電流和光生電流并非線性關(guān)系。如果去負(fù)載電阻為零，即輸出短路的條件下，由于，則公式（2）可化簡(jiǎn)為 (3)如果二極管的反向飽和電流很小，而輸出電流不大，即保持時(shí)，可得 (4)即輸出電流接近光生電流，也就是線性好。因此在實(shí)際使用光電二極管進(jìn)行測(cè)量時(shí)要選取大、小和小的光電二極管，并在輸出短路狀態(tài)下工作。 第3章 低噪聲光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.1 電路的噪聲分析3.1.1 熱噪聲由導(dǎo)電材料中載流子不

9、規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)在材料兩端產(chǎn)生隨機(jī)漲落的電壓或電流稱熱噪聲，熱噪聲電壓均方值取決于材料的溫度、電阻及噪聲等效帶寬，其一般關(guān)系式為 (5) 式中：K為波爾茲曼常數(shù)；T為材料的絕對(duì)溫度；為光電檢測(cè)電路中的總電阻隨頻率的變化關(guān)系，純電阻時(shí)，與頻率無關(guān)，則 (6)當(dāng)時(shí)，,電阻的熱噪聲電壓和熱噪聲電流的均方值分別為 (7) (8)式中：為噪聲等效帶寬。由式(3)和式(4)可以看出，和與、及有關(guān)，電阻是主要的熱噪源，在不變時(shí)，減少和的值可有效減少熱噪聲。如在室溫下，對(duì)于的電阻，如果電路的放大倍數(shù)為1，則輸出的熱噪聲電壓有效值在電路通頻帶時(shí)，為 (9) (10)在這種狀態(tài)下，進(jìn)行nw(或pw)級(jí)的測(cè)量將很困難。3

10、.1.2 散粒噪聲由光生載流子形成和流動(dòng)密度的漲落造成的噪聲稱為散粒噪聲，散粒噪聲電壓均方值和電流方值分別為 (11) (12)式中：q為電子電荷量；I為通過光電二極管的電流平均值，包括光電流、暗電流及背景光電流的平均值。若只考慮光電流，令，則散粒噪聲電流,電壓為。由式(11)和式(12)可知，散粒噪聲電流和電壓的均方值與及I成正比，減少和可有效降低散噪聲。 3.1.3總噪聲電流的均方值熱噪聲電流和散粒噪聲電流是相互獨(dú)立的，則總的噪聲電流的均方值為 (13) (14)當(dāng)時(shí)，經(jīng)前置放大后的噪聲電壓為 (15)若直流光電流約為0.15A，則光電轉(zhuǎn)換信噪比SNR為 (16)3.1.4外部噪聲光電檢測(cè)

11、電路外部噪聲包括輻射源的隨機(jī)波動(dòng)和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流、背景起伏、雜散光的入射、振動(dòng)、電源的波動(dòng)及檢測(cè)電路所受到的電磁干擾等。這些噪聲擾動(dòng)可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或?yàn)V波片、電氣屏蔽、濾波及提高電源的穩(wěn)定度等措施加以改善或消除。3.1.5 放大電路的噪聲分析如果光強(qiáng)變化屬于緩變過程，可忽略硅光電二極結(jié)電容的影響。為進(jìn)一步分析討論放大電路對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的噪影響，先畫出放大電路噪聲等效模型，見圖2,EnCfRfenRf2in2en2RSRDDIS圖2 放大電路噪聲等效模型其中和分別為運(yùn)算放大器的均方根輸入噪聲電壓和電流，為運(yùn)算放大器反饋電阻產(chǎn)生的熱噪聲電壓。和分別為 (17

12、) (18)式中：為運(yùn)算放大器的輸入噪聲電壓密度；為運(yùn)算放大器的輸入噪聲電流密度。運(yùn)算放大器的噪聲電壓和噪聲電流對(duì)組合電路的影響，可視為圖2中運(yùn)算放大器輸入噪聲電壓源和聲電流源的作用，它們對(duì)于組合電路輸出端噪聲電壓的貢獻(xiàn)En1、En2分別為 (19) (20)運(yùn)算放大器存在失調(diào)電壓和失調(diào)電流，其值隨溫度漂移，雖然在電路調(diào)整時(shí)能加以補(bǔ)償，但是溫漂的影響將在電路的輸出端產(chǎn)生噪聲。失調(diào)電壓和失調(diào)電流的溫漂對(duì)放大電路輸出的貢獻(xiàn)ETU、ETI分別為 (21) (22)式中：為輸入失調(diào)電壓的溫漂系數(shù)；為輸入失調(diào)電流的溫漂系數(shù)；t為溫度變化。反饋電阻對(duì)輸出端噪聲的影響為 (23)以上各種噪聲源對(duì)光電二極管與

13、運(yùn)算放大器組合電路總的影響導(dǎo)致電路輸出噪聲加大，限制了對(duì)微弱光強(qiáng)信號(hào)的探測(cè)。由于各噪聲互不相關(guān)，其綜合影響為單獨(dú)存在時(shí)的均方根值： (24)光電二極管信號(hào)電流經(jīng)運(yùn)算放大器后的輸出為 (25)故電路組合的信噪比為 (26)計(jì)算出光電檢測(cè)電路的信噪比，修改光電檢測(cè)電路的器件參數(shù)，以滿足設(shè)計(jì)要求。3.2 電路參數(shù)的選擇無偏壓下，光電二極管選為UV-040B型硅光電二極管，結(jié)面積為, ，噪聲電流，在保證要求的情況下選擇和較大的光電二極管，提高信噪比。采用非常低噪聲運(yùn)算放大器OPA725，因?yàn)樗哂袃?yōu)良的低偏置電流，低漂移特性。再室溫下，其輸入噪聲電壓密度為 (100kHz),輸入噪聲電流密度為（1kH

14、z）。選擇反饋金屬電阻為。反饋電容選云母電容（聚苯乙烯）、 、 、大小與檢測(cè)光信號(hào)的頻率有關(guān)。已知溫度變化范圍為，T為300K，由，當(dāng)入射光功率P為時(shí)，可以算出輸出信號(hào)電壓為0.54V，等效輸出噪聲電壓約為3mV，信噪比為90:1，隨著P增加，信噪比也增加。為了能使光電二極管探測(cè)器的輸出電壓滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的要求，即輸出電壓范圍為05V，在實(shí)際中，首先測(cè)量光信號(hào)的最大功率，然后再設(shè)計(jì)Rf的值。若給定光信號(hào)最大功率為，仍選用 為，可以得到約為4V的輸出電壓。運(yùn)算放大器的調(diào)0電阻為，2個(gè)容量為的電容鏈接在運(yùn)算放大器的正負(fù)電源和地之間，用于濾除電源的波動(dòng)。放大器供電電路電源的穩(wěn)定度為，其濾波

15、電容選。R和C用來減小噪聲頻帶寬以減小電阻的熱噪聲。電流放大型IC檢測(cè)電路見圖3。光電二極管工作于0偏壓，光電二極管和運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端同極相連，運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端間的輸入阻抗是光電二極管的負(fù)載電阻，可表示為，式中：A為放大器的開環(huán)放大倍數(shù)，為反饋電阻。當(dāng)，時(shí)，很小，可以認(rèn)為光電二極管處于短路工作狀態(tài)，能測(cè)量出近于理想的短路電流。處于電流放大狀態(tài)的運(yùn)算放大器的輸出的電壓與輸入短路光電流成比例，并有輸出信號(hào)與輸入光功率成正比。此低噪聲光電二極管探測(cè)器前置放大電路因輸入阻抗低而影響速度較高，并且放大器噪聲較低，信噪比提高。這些優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于弱光信號(hào)的檢測(cè)中，經(jīng)適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，可檢測(cè)nA級(jí)

16、的弱光信號(hào)。光電二極管的噪聲主要是光轉(zhuǎn)換器件內(nèi)部電阻及PN結(jié)中載流子隨機(jī)漲落引起的熱噪聲和散粒噪聲，該噪聲與光電二極管，材料，溫度及工作電壓及外部環(huán)境的干擾有關(guān)；前置放大器的噪聲主要與前置放大器的噪聲電壓，噪聲電流，溫度變化及反饋電阻有關(guān)；另外還要使其阻抗匹配，供電電源穩(wěn)定度高，環(huán)境溫度恒定等。文中設(shè)計(jì)的低噪聲光電二極管檢測(cè)電路僅從光電二極管，放大器及阻抗方面去降低噪聲。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，不但要選擇相應(yīng)的電器件，還要考慮光信號(hào)特點(diǎn)，才能設(shè)計(jì)出符合要求的低噪聲光電檢測(cè)電路。0.1F1M10k+15V0.1FUo0.1F-15VOP27 圖3 光電二極管探測(cè)器電路圖電路所選用的光電二極管為2CUG

17、S型硅光電二極管，其在He-Ne激光器波長(zhǎng)為處的光電靈敏度（S）為，響應(yīng)時(shí)間為，結(jié)電容Cj為12pF，內(nèi)阻為，光敏面直徑為1.2mm。采用低噪聲運(yùn)算放大器OP-27GP，它具有優(yōu)良的低偏流，低漂移特性。在室溫下起參數(shù)為：輸入噪聲電壓密度為，輸入噪聲電流密度為，輸入失調(diào)電壓溫漂系數(shù)為，輸入失調(diào)電流溫漂系數(shù)為。選擇反饋電阻Rf為,反饋電容Cf為。一直溫度變化范圍為，T為300K，當(dāng)入射光功率P為，利用公式（26）以算出：輸出信號(hào)電壓為0.27V,等效輸出噪聲電壓月為3mV，信噪比為，隨著信號(hào)的增加，信噪比會(huì)增加。為了能使光電二極管探測(cè)器的輸出電壓滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的要求，即輸出電壓范圍為05

18、V，在實(shí)際中首先測(cè)量出光信號(hào)的最大功率值，然后再設(shè)計(jì)Rf的值，若給定光信號(hào)最大功率值為，仍選用Rf的值為1M，可以得到約為4V的輸出電壓，運(yùn)算放大器的調(diào)零電阻大小為。兩個(gè)容量為的電容連接在運(yùn)算放大器的正負(fù)電源和地之間，用于濾除電源的波動(dòng)。第4章 安裝與調(diào)試4.1 器件準(zhǔn)備本次電路設(shè)計(jì)需要用到的實(shí)驗(yàn)器件如下：（1）單片機(jī)AT89S51：AT89S51型單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的8位單片機(jī)，功能強(qiáng)大，可以靈活的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809：ADC0809可處理8路模擬量輸入，有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。（3）發(fā)光二極管LED：L

19、ED體積小、耗電量低，還具有二極管的特性，即逆向偏壓時(shí)LED不亮，順向偏壓時(shí)LED發(fā)光。4.2 搭接電路焊接元器件的時(shí)候必須注意不要出現(xiàn)虛焊、漏焊之類的問題。電路的搭建是在面板上完成的，必須弄清楚面板的內(nèi)部鏈接關(guān)系，以免造成電路的短路或者斷路。在連接電路時(shí)，常出現(xiàn)導(dǎo)線雖已插入插孔，但未能與面板內(nèi)部鐵片緊密接觸，是電路無法形成通路，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法出現(xiàn)。由于電路較為復(fù)雜，連線較多，在實(shí)際連接時(shí)要十分注意導(dǎo)線兩側(cè)管腳是否接通。4.3 調(diào)試電路首先調(diào)試光電檢測(cè)電路。調(diào)試的重點(diǎn)是運(yùn)算放大器的調(diào)零。先把光電二極管輸入光路斷開，是檢測(cè)系統(tǒng)處于無光照條件下，調(diào)節(jié)電位器，是輸出電壓為零。然后把光電二極管輸入光路接通，光電二極管在光照下產(chǎn)生光電流，光電流經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為范圍在05V之間變化的信號(hào)。然后調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將匯編程序用計(jì)算機(jī)軟件編譯無誤后，生成HEX格式文件。用單片機(jī)編程器將此文件燒制到AT89S51中。將光電檢測(cè)到的電壓信號(hào)輸入到ADC0809的INO管腳。電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并送至單片機(jī)的P1口的輸出數(shù)字信號(hào)直觀的顯示出來，表明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正常工作。經(jīng)過以上的調(diào)試表明光電檢測(cè)系統(tǒng)