應物 勇-基于光敏二極管光電檢測電路的設計

1、 東 北 石 油 大 學 課 程 設 計課 程 光電檢測技術 題 目 基于光敏二極管光電檢測電路的設計院 系 電子科學學院 專業(yè)班級 學生姓名 學生學號 指導教師 2013年3月1日 大慶石油學院課程設計任務書課程 光電檢測技術題目 基于光敏二極管光電檢測電路的設計專業(yè) 應 姓名 學號 主要內容：利用光敏二極管、低噪聲放大器及單片機等電子器件，設計一光電檢測電路，實現(xiàn)光電信號的自動檢測?；疽螅?）利用光敏二極管及低噪聲放大器等電子器件工作。 2）研究單片機與光電轉換電路的接口特性。3）設計光敏二極管光電檢測電路。4）撰寫總結報告。主要參考資料：1）陳有卿編著. 新穎集成電路制作精選M.人民

2、郵電出版社, 2005.4.2) 陳振官，陳宏威等編著.光電子電路制作實例M. 2006.4.3) 黃繼昌等編著.檢測專用集成電路及應用M. 2006.10.完成期限 2013.2.252013.3.1 指導教師 專業(yè)負責人 2013年2月25日第1章 概述光電二極管（Photo-Diode）是二極管的一種，但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件?？捎糜诠鈴姸忍綔y，光控開關的感光元器件，作用與光敏電阻相似。1.1、光電二極管的意義 光電二極管及其相關的前置放大器是基本物理量和電子量之間的橋梁。許多精密應用領域需要檢測光亮度并將之轉換為有用的數(shù)字信號。光檢測電路可用于

3、CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測器、位置傳感器、紅外高溫計和色譜分析儀等系統(tǒng)中。在這些電路中，光電二極管產(chǎn)生一個與照明度成比例的微弱電流。而前置放大器將光電二極管傳感器的電流輸出信號轉換為一個可用的電壓信號。看起來好象用一個光電二極管、一個放大器和一個電阻便能輕易地實現(xiàn)簡單的電流至電壓的轉換，但這種應用電路卻提出了一個問題的多個側面。為了進一步擴展應用前景，單電源電路還在電路的運行、穩(wěn)定性及噪聲處理方面顯示出新的限制。1.2、光電檢測技術的發(fā)展前景（1） 、發(fā)展納米，亞納米高精度的光電測量新技術。（2） 、發(fā)展小型的，快速的微型光，機，電檢測系統(tǒng)。（3） 、非接觸，快速在線測量。（4） 、發(fā)展

4、閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)。（5） 、向微空間或大空間三維技術發(fā)展。（6） 、向人們無法觸及的領域發(fā)展。（7） 、發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術。第2章 光電二極管工作原理2.1、光電轉換原理 根據(jù)PN結反向特性可知，在一定反向電壓范圍內，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時，如果無光照射PN結，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當有光照射PN結時，結內將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對（稱之為光生載流子），使流過PN結的電流隨著光照強度的增加而劇增，此時的反向電流稱為光電流。不同波長的光（蘭光、紅光、紅外光）在光敏二極管的不同區(qū)域被吸收形成光電流。被表面P型

5、擴散層所吸收的主要是波長較短的蘭光，在這一區(qū)域，因光照產(chǎn)生的光生載流子（電子），一旦漂移到耗盡層界面，就會在結電場作用下，被拉向N區(qū)，形成部分光電流；彼長較長的紅光，將透過P型層在耗盡層激發(fā)出電子一空穴對，這些新生的電子和空穴載流子也會在結電場作用下，分別到達N區(qū)和P區(qū)，形成光電流。波長更長的紅外光，將透過P型層和耗盡層，直接被N區(qū)吸收。在N區(qū)內因光照產(chǎn)生的光生載流子（空穴）一旦漂移到耗盡區(qū)界面，就會在結電場作用下被拉向P區(qū)，形成光電流。因此，光照射時，流過PN結的光電流應是三部分光電流之和。2.2、光敏二極管的兩種工作狀態(tài) 光敏二極管又稱光電二極管，它是一種光電轉換器件，其基本原理是光照到P

6、-N結上時，吸收光能并轉變?yōu)殡娔?。它具有兩種工作狀態(tài)：（1）當光敏二極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。（2）光敏二極管上不加電壓，利用P-N結在受光照時產(chǎn)生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。這種工作狀態(tài)，一般作光電檢測器。光敏二極管分有P-N結型、PIN結型、雪崩型和肖特基結型，其中用得最多的是P-N結型，價格便宜。光信號放大和開關電路2.3、光敏二極管應用與檢測 光敏二極管工作時加有反向電壓，沒有光照時，其反向電阻很大，只有很微弱的反向飽和電流（暗電池）。當有光照時，就會產(chǎn)生很大的反向電流（亮電流），光照越強，

7、該亮電流就越大。光敏二極管是一種光電轉換二極管，所以又叫光電二極管。測量光敏二極管時，先用黑紙或黑布遮住光敏二極管的光信號接收窗口，然后用萬用表的R×1k檔其正、反向電阻。正常時，正向電阻值在1020k之間，反向電阻值為（無窮大）。再去掉黑紙或黑布，使其光信號接收窗口對準光源，正常時正、反向電阻值均會變小，阻值變化越大，說明該光敏二極管的靈敏度越高。2.4、主要技術參數(shù)1.最高反向工作電壓；2.暗電流3.光電流；4.靈敏度；5.結電容；6.正向壓降；7.響應時間；主要特性曲線圖：第3章 光電檢測電路電路設計3.1、 光檢測電路的基本組成和工作原理 設計一個精密的光檢測電路最常用的方法

8、是將一個光電二極管跨接在一個CMOS輸入放大器的輸入端和反饋環(huán)路的電阻之間。這種方式的單電源電路示于圖1中。 在該電路中，光電二極管工作于光致電壓（零偏置）方式。光電二極管上的入射光使之產(chǎn)生的電流ISC從負極流至正極，如圖中所示。由于CMOS放大器反相輸入端的輸入阻抗非常高，二極管產(chǎn)生的電流將流過反饋電阻RF。輸出電壓會隨著電阻RF兩端的壓降而變化。 圖中的放大系統(tǒng)將電流轉換為電壓，即VOUT = ISC ×RF （1）圖1 單電源光電二極管檢測電路式（1）中，VOUT是運算放大器輸出端的電壓，單位為V;ISC是光電二極管產(chǎn)生的電流，單位為A;RF是放大器電路中的反饋電阻，單位為W

9、。圖1中的CRF是電阻RF的寄生電容和電路板的分布電容，且具有一個單極點為1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定頻率范圍內模擬從光到電壓的轉換關系。模擬中可選的變量是放大器的反饋元件RF。用這個模擬程序，激勵信號源為ISC，輸出端電壓為VOUT。 此例中，RF的缺省值為1MW ，CRF為0.5pF。理想的光電二極管模型包括一個二極管和理想的電流源。給出這些值后，傳輸函數(shù)中的極點等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改變RF可在信號頻響范圍內改變極點。遺憾的是，如果不考慮穩(wěn)定性和噪聲等問題，這種簡單的方案通常是注定要失敗的。例如，系統(tǒng)的階躍響應會產(chǎn)生一個其數(shù)量難以接受的振

10、鈴輸出，更壞的情況是電路可能會產(chǎn)生振蕩。如果解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，輸出響應可能仍然會有足夠大的“噪聲”而得不到可靠的結果。實現(xiàn)一個穩(wěn)定的光檢測電路從理解電路的變量、分析整個傳輸函數(shù)和設計一個可靠的電路方案開始。設計時首先考慮的是為光電二極管響應選擇合適的電阻。第二是分析穩(wěn)定性。然后應評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性并分析輸出噪聲，根據(jù)每種應用的要求將之調節(jié)到適當?shù)乃健?.2、 光檢測電路的SPICE模型1、光電二極管的SPICE模型 一個光電二極管有兩種工作方式：光致電壓和光致電導，它們各有優(yōu)缺點。在這兩種方式中，光照射到二極管上產(chǎn)生的電流ISC方向與通常的正偏二極管正常工作時的方向相反，即從負極到正極。

11、 光電二極管的工作模型示于圖2中，它由一個被輻射光激發(fā)的電流源、理想的二極管、結電容和寄生的串聯(lián)及并聯(lián)電阻組成。圖2 非理想的光電二極管模型 當光照射到光電二極管上時，電流便產(chǎn)生了，不同二極管在不同環(huán)境中產(chǎn)生的電流ISC、具有的CPD、RPD值以及圖中放大器輸出電壓為05V所需的電阻RF值均不同，例如SD-020-12-001硅光電二極管，在正常直射陽光（1000fc英尺-燭光）時，ISC=30m A、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=167kW ;睛朗白天（100fc）時，ISC = 3m A、CPD=50pF、RPD= 1000 MW 、RF=1.67MW ;桌上室內光（1.

12、167fc）時，ISC=35nA、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=142.9MW ?？梢姽庹詹煌瑫r，ISC有顯著變化，而CPD、RPD基本不變。 工作于光致電壓方式下的光電二極管上沒有壓降，即為零偏置。在這種方式中，為了光靈敏度及線性度，二極管被應用到最大限度，并適用于精密應用領域。影響電路性能的關鍵寄生元件為CPD和RPD，它們會影響光檢測電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。結電容CPD是由光電二極管的P型和N型材料之間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層窄，結電容的值大。相反，較寬的耗盡層（如PIN光電二極管）會表現(xiàn)出較寬的頻譜響應。硅二極管結電容的數(shù)值范圍大約從20或25pF到幾千pF以上

13、。結電容對穩(wěn)定性、帶寬和噪聲等性能產(chǎn)生的重要影響將在下面討論。在光電二極管的數(shù)據(jù)手冊中，寄生電阻RPD也稱作“分流”電阻或“暗”電阻。該電阻與光電二極管零偏或正偏有關。在室溫下，該電阻的典型值可超過100MW 。對于大多數(shù)應用，該電阻的影響可被忽略。 分流電阻RPD是主要的噪聲源，這種噪聲在圖2中示為ePD。RPD產(chǎn)生的噪聲稱作散粒噪聲（熱噪聲），是由于載流子熱運動產(chǎn)生的。 二極管的第二個寄生電阻RS稱為串聯(lián)電阻，其典型值從10W 到1000W 。由于此電阻值很小，它僅對電路的頻率響應有影響。光電二極管的漏電流IL是引發(fā)誤差的第四個因素。如果放大器的失調電壓為零，這種誤差很小。 與光致電壓方式

14、相反，光致電導方式中的光電二極管具有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當此電壓加至光檢測器上時，耗盡層的寬度會增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線性度和失調誤差尚未最優(yōu)化。這個問題的折衷設計將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。2、運放的SPICE模型 運算放大器具有范圍較寬的技術指標及性能參數(shù)，它對光檢測電路的穩(wěn)定性和噪聲性能影響很少。其主要參數(shù)示于圖3的模型中，它包括一個噪聲源電壓、每個輸入端的寄生共模電容、輸入端之間的寄生電容及與頻率有關的開環(huán)增益。 輸入差分電容CDIFF和輸入共模電容CCM是直接影響電路穩(wěn)定性和噪聲性能的寄生電容。這些寄

15、生電容在數(shù)據(jù)手冊中通常規(guī)定為典型值，基本不隨時間和溫度變化。 另一個涉及到輸入性能的是噪聲電壓，該參數(shù)可模擬為運放同相輸入端的噪聲源。此噪聲源為放大器產(chǎn)生的所有噪聲的等效值。利用此噪聲源可建立放大器的全部頻譜模型，包括1/f噪聲或閃爍噪聲以及寬帶噪聲。討論中假設采用CMOS輸入放大器，則輸入電流噪聲的影響可忽略不計。圖3 非理想的運放模型 當運行SPICE噪聲模擬程序時，必須使用一個獨立的交流電壓源或電流源。為了模擬放大器的輸入噪聲RTI，一個獨立的電壓源VIN應加在放大器的同相輸入端。另外，電路中的反饋電阻保持較低值（100W ），以便在評估中不影響系統(tǒng)噪聲。圖3模型中的最后一個技術指標為在

16、頻率范圍內的開環(huán)增益AOL（jw ），典型情況下，在傳輸函數(shù)中該響應特性至少有兩個極點，該特性用于確定電路的穩(wěn)定性。 在這個應用電路中，對運放有影響而未模擬的另一個重要性能參數(shù)是輸入共模范圍和輸出擺幅范圍。一般而言，輸入共模范圍必須擴展到超過負電源幅值，而輸出擺幅必須盡可能地擺動到負電源幅值。大多數(shù)單電源CMOS放大器具有負電源電壓以下0.3V的共模范圍。由于同相輸入端接地，此類性能非常適合于本應用領域。當放大器對地的負載電阻為小于RF /10時，則單電源放大器的輸出擺幅可最優(yōu)化。如果采用這種方法，最壞情況下放大器負載電阻的噪聲也僅為總噪聲的0.5%。 SPICE宏模型可以模擬也可以不模擬這些

17、參數(shù)。一個放大器宏模型會具有適當?shù)拈_環(huán)增益頻率響應、輸入共模范圍和不那么理想的輸出擺幅范圍。表1中列出了本文使用的三個放大器宏模型的特性。光電二極管和放大器的寄生元件對電路的影響可容易地用SPICE模擬加以說明。例如，在理想情況下，可以通過使用ISC的方波函數(shù)和觀察輸出響應來進行模擬。3、 反饋元件模型 本應用中應該考慮的第三個即最后一個變量是放大器的反饋系統(tǒng)。圖4示出一個反饋網(wǎng)絡模型。在圖4中，分離的反饋電阻RF也有一個噪聲成分eRF和一個寄生電容CRF。寄生電容CRF為電阻RF及與電路板/接線板相關的電容。此電容的典型值為0.5pF到1.0pF。CF是反饋網(wǎng)絡模型中包含的第2個分離元件，用

18、于穩(wěn)定電路。圖4 圖1所示系統(tǒng)反饋電路將三個子模型（光電二極管、運放和反饋網(wǎng)絡）組合起來可組成光檢測電路的系統(tǒng)模型。如圖5所示。圖5 標準光檢測電路的系統(tǒng)模型第4章 系統(tǒng)模型的相互影響和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 當光電二極管配置為光致電壓工作方式時，圖5所示的系統(tǒng)模型可用來定性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這個系統(tǒng)模型的SPICE能模擬光電二極管檢測電路的頻率及噪聲響應。尤其是在進入硬件實驗以前，通過模擬手段可以容易地驗證并設計出良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。該過程是評估系統(tǒng)的傳輸函數(shù)、確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵變量并作相應調整的過程。該系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為 （2）式（2）中，AOL（jw ）是放大器在頻率范圍內的開環(huán)增益。b 是系

19、統(tǒng)反饋系數(shù)，等于1/（1+ZF/ZIN）。1/b 也稱作系統(tǒng)的噪聲增益。ZIN是輸入阻抗，等于RPD/1/jw （CPD+CCM+ CDIFF）;ZF是反饋阻抗，等于RF /1/jw （CRF+CF）。通過補償AOL（jw ）´ b 的相位可確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這可憑經(jīng)驗用AOL（jw ）和1/b 的Bode圖來實現(xiàn)。圖6中的各圖說明了這個概念。 開環(huán)增益頻率響應和反饋系數(shù)的倒數(shù)（1/b ）之間的閉合斜率必須小于或等于20dB/10倍頻程。圖6中（a）、（c）表示穩(wěn)定系統(tǒng)，（b）、（d）表示不穩(wěn)定系統(tǒng)。在（a）中，放大器的開環(huán)增益（AOL（jw ）以零dB隨頻率變化并很快變化到斜率為

20、20dB/10倍頻程。盡管未在圖中顯示，但這個變化是由開環(huán)增益響應的一個極點導致的，并伴隨著相位的變化，在極點以前開始以10倍頻程變化。即在極點的10倍頻程處，相移約為0° 。在極點發(fā)生的頻率處，相移為45° 。當斜率隨著頻率變化，到第二個極點時開環(huán)增益響應變化至40dB/10倍頻程。并再次伴隨著相位的變化。第3個以零點響應出現(xiàn)，并且開環(huán)增益響應返回至20dB/10倍頻程的斜率。圖6 確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的Bode圖 在同一個圖中，1/b 曲線以零dB開始隨頻率變化。1/b 隨著頻率的增加保持平滑，直到曲線末尾有一個極點產(chǎn)生，曲線便開始衰減20dB/10倍頻程。 圖（a）中令人感

21、興趣的一點就是AOL（jw ）曲線和1/b 曲線的交點。兩條曲線交點的斜率示出了系統(tǒng)的相位容限，也預示著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在圖中，交點斜率為20dB/10倍頻程。在這種情況下，放大器將提供90° 的相移，而反饋系數(shù)則提供零度相移。相移和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均由兩條曲線的交點決定。1/b 相移和AOL（jw ）相移相加，系統(tǒng)的相移為90° ，容限為90° 。從理論上說，如果相位容限大于零度，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。但實際應用中相位容限至少應有45° 才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。 在圖6的（c）中，AOL（jw ）曲線和1/b 曲線的交點表示一個在一定程度上穩(wěn)定的系統(tǒng)。此點 AOL（jw ）

22、曲線正以20dB/10倍頻程的斜率變化，而1/b 曲線正從20dB/10倍頻程的斜率轉換到0dB/10倍頻程的斜率。AOL（jw ）曲線的相移為90° 。1/b 曲線的相移則為45° 。將這兩個相移相加后，總的相移為135° ，即相位容限為45° 。雖然該系統(tǒng)看上去較穩(wěn)定，即相位容限大于0° ，但是電路不可能像計算或模擬那樣理想化，因為電路板存在著寄生電容和電感。結果，具有這樣大小的相位容限，這個系統(tǒng)只能是“一定程度上的穩(wěn)定”。圖6中（b）、（d）均為不穩(wěn)定系統(tǒng)。在（b）圖中，AOL（jw ）以20dB/10倍頻程的斜率變化。1/b 則以+20dB/10倍頻程的斜率變化。這兩條曲線的閉合斜率為40dB/10倍頻程，表示相移為180° ，相位容限為0° 。在（d）圖中，AOL（jw ）以40dB/10倍頻程的斜率變化。而1/b 以0dB/10倍頻程的斜率變化。兩條曲線的閉合