光電檢測(cè)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方法

1、光電檢測(cè)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方法 學(xué)院：電子與自動(dòng)化系 班級(jí)：機(jī)械與自動(dòng)化2班 學(xué)號(hào)：08050201 姓名：李 若 冰 同組成員： 指導(dǎo)老師：宮香山 時(shí)期：2011年6月22日 光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興的檢測(cè)技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示。光電檢測(cè)技術(shù)從原理上講可以檢測(cè)一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)把待檢測(cè)的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電探測(cè)器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)過(guò)電路放大、處理，以達(dá)到電信號(hào)輸出的目的。然后采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)

2、律，以便于進(jìn)行相應(yīng)的電路改進(jìn)，更好地研究被噪聲淹沒(méi)的微弱有用信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，同時(shí)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。光電檢測(cè)電路的基本構(gòu)成光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，而且光探測(cè)器光探測(cè)器利用光與物質(zhì)的各種相互作用把光能轉(zhuǎn)換為其他可感知量的器件, 是光接收機(jī)的首要部分，能檢測(cè)出入射到其面上的光功率，并把這個(gè)光功率的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流。 輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中，因此，要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過(guò)前置放大電路、

3、濾波電路和主放大電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。其光電檢測(cè)模塊的組成框圖如圖1所示。光電二極管二極管又叫半導(dǎo)體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個(gè)方向傳送電流，由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)構(gòu)成，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 的工作模式與等效模型光電二極管光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信?hào)轉(zhuǎn)換成電信

4、號(hào)的光電傳感器件。 光電二級(jí)管是怎樣把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的呢？普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱(chēng)為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。 的工作模式光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導(dǎo)模

5、式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。事實(shí)上，在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流(叫做暗電流或無(wú)照電流1。而在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻電阻，物質(zhì)對(duì)電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱(chēng)為電導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱(chēng)為電絕緣體，簡(jiǎn)稱(chēng)絕緣體。的熱噪聲；在反偏置時(shí)，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設(shè)計(jì)光電二極管電路的過(guò)程中，通常是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是對(duì)兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，在光電精密測(cè)量中，被測(cè)信號(hào)都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設(shè)計(jì)由于所討論的待檢測(cè)信

6、號(hào)也是十分微弱的信號(hào)，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以，設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏模式。光電二極管的等效電路模型工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源電流源是電路的基本元件，它是一種二端元件。電流源的內(nèi)阻相對(duì)負(fù)載阻抗很大，負(fù)載阻抗波動(dòng)不會(huì)改變電流大小。在電流源回路中串聯(lián)電阻無(wú)意義，因?yàn)樗粫?huì)改變負(fù)載的電流，也不會(huì)改變負(fù)載上的電壓。在原理圖上這類(lèi)電阻應(yīng)簡(jiǎn)化掉。負(fù)載阻抗只有并聯(lián)在電流源上才有意義，與內(nèi)阻是分流關(guān)系。 由于內(nèi)阻等多方面的原因，理想電流源在真實(shí)世界是不存在的，但這樣一個(gè)模型對(duì)于電路分析是十分有價(jià)值的。實(shí)際上，如果一個(gè)電流源在電壓變化時(shí)，電流的波動(dòng)不明

7、顯，我們通常就假定它是一個(gè)理想電流源。 、一個(gè)理想的二極管、結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯(lián)電阻。由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒(méi)有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測(cè)電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層越窄，結(jié)電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會(huì)表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約在20或25pF到幾千 pF以上。而光電二極

8、管的寄生電阻RPD(也稱(chēng)作分流電阻或暗電阻)，則與光電二極管的偏置有關(guān)。與光伏電壓方式相反，光導(dǎo)方式中的光電二極管則有一個(gè)反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測(cè)器件時(shí)，耗盡層的寬度會(huì)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(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個(gè)問(wèn)題的折衷設(shè)計(jì)將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。電路設(shè)計(jì)主放大器設(shè)計(jì)眾多需要檢瀏的微弱光信號(hào)通常都是通過(guò)各種傳感器凡是利用一定的物性（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”

9、。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。 來(lái)進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而使檢測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測(cè)對(duì)象本身為微弱量，同時(shí)受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號(hào)，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計(jì)中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，但后續(xù)電路一般為AD轉(zhuǎn)換電路，所需電壓幅值一般為2 V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號(hào)一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應(yīng)用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示

10、。該主放大器的放大倍數(shù)為A=lR2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有濾波器凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱(chēng)為濾波器。在近代電信裝備和各類(lèi)控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最復(fù)雜要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。 設(shè)計(jì)為使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔并具有良好的信噪比,設(shè)計(jì)時(shí)還需要用帶通濾波器帶通濾波器是指能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對(duì)。一個(gè)模擬帶通濾波器的例子是電阻-

11、電感-電容電路(RLC circuit)。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來(lái)產(chǎn)生。 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。為保證測(cè)量的精確性，本設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內(nèi)的信號(hào)，而抑制該頻段以外的信號(hào)。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：B=f2-f1=f0/Q式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因?yàn)橹行念l率一定時(shí)，Q值越大，所通過(guò)的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。 有源濾波器是一種含有半導(dǎo)

12、體三極管三極管是一種半導(dǎo)體電子器件，有3個(gè)引腳，晶體三極管分別為集電極（c)，基極（b)，發(fā)射極（e），電子三極管分別為屏極、柵極、陰極。能夠把微弱信號(hào)放大成輻值較大的電信號(hào)，也稱(chēng)雙極型晶體管,晶體三極管。 、集成運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器（Operational Amplifier,簡(jiǎn)稱(chēng)OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合差模（差動(dòng)模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)和不同的反饋方式，共同組成某些功能和特性不同的模塊，這些模塊是各種電子電路中最基本的環(huán)節(jié)。可見(jiàn)運(yùn)放在電子電路中的應(yīng)用之廣。 等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對(duì)于無(wú)源濾波器的特點(diǎn)是體積小、重

13、量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運(yùn)算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開(kāi)環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡(jiǎn)單而且性能優(yōu)良。本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(VCVS)帶通濾波器，其濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。對(duì)于第一部分，即低通濾波器，系統(tǒng)要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)為：第二部分為高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)如下：完整的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整電路如圖7所示。為方便表示，電路中的R2、R3即為前面等效電路模型中的RT、RF。前級(jí)部分由光電轉(zhuǎn)換二極管與前級(jí)放大器組成，這也是光電檢測(cè)電路的核心部分，其器件選用高性能低噪聲運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電路匹配并將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍的放大。然而，雖然前級(jí)放大倍數(shù)可以設(shè)計(jì)得很大，但由于反饋電阻會(huì)引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前級(jí)信號(hào)不能無(wú)限放大。本文小結(jié)本文研究