低噪聲光電檢測電路

1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 光電檢測技術 題 目 低噪聲光電檢測電路的設計 院 系 電子科學學院 專業(yè)班級 應用物理 學生姓名 學生學號 指導教師 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變成電信號的半導體器件。它的核心部分也是一個PN結，和普通二極管相比，在結構上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結的結深很淺，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，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能

2、量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子-空穴對，稱為光生載流子。1.2 基于光電二極管的低噪聲光電檢測電路設計的意義經(jīng)過光電二極管轉換的電信號通常都比較微弱，微弱光電信號檢測的光電流一般為nA至A級，檢測微弱光電信號很容易受噪聲的干擾。若待檢測的光信號非常微弱，則對電路的線性和信噪比的要求就非常高。研究結果表明，在光電檢測電路中，光電轉換器件和前置放大電路的噪聲對系統(tǒng)影響比較大。例如，在靶場測試中，彈丸射擊密集度是衡量低伸彈道武器性能的一項重要指標。到目前為止，國內靶場用于密集度測量已有多種方法，最先進的方法是采用光電靶進行測量。在設計光電檢測電路時，要盡量減少噪聲，提高

3、系統(tǒng)的信噪比和檢測分辨率。研究結果表明，在光電檢測電路中，光電轉換器和前置放大電路的噪聲對系統(tǒng)的影響比較大，但對噪聲源的分析及設計低噪聲光電檢測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電路中噪聲產生的原因、特點，提出了低噪聲光電二極管檢測電路的設計原則與設計方法。在測試中，光電靶的靈敏度直接影響整個系統(tǒng)的測量精度，而影響光電靶靈敏度的關鍵因素就是信號調理電路中放大電路的放大倍數(shù)和信噪比，因此設計性能良好的前置放大電路對整個測試系統(tǒng)有著非常重要的作用?？梢娏己玫牡驮肼暪怆姍z測電路的設計在很多方面都發(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電路設計的前景展望通過分析光電二

4、極管光電檢測電路中噪聲產生的原因、特點，征對設計過程出現(xiàn)的各種問題，提出低噪聲光電二極管檢測電路設計原則與設計方法。在設計光電檢測電路時，要盡量減小噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比和檢測分辯率。微弱光信號的檢測在許多領域都有應用，檢測方法多種多樣，但常用的方法由于靈敏度有限，難以滿足要求，應用光電檢測技術來檢測微弱光信號具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。第2章 光電二極管工作原理及電路設計原理2.1 光電二極管的主要工作原理光電二極管是將光信號變成電信號的半導體器件。它的核心部分是一個PN結，和普通二極管相比，在結構上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結的結深

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，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子-空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。光電二極管作為一種光伏探測器可以在光伏型（即物外加偏壓）和光導型（即外加反向電壓）兩種工作模式工作。在

6、光導模式下，施加反向偏壓后，可以增加光電二極管PN結的耗盡層寬度好和結電場，在耗盡層中產生的電子空穴對由于復合較少，在結區(qū)強電場的作用下，不必經(jīng)過引起復合的擴散過程，就可以對電流作出貢獻，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，由此會產生較大的噪聲電流，通常在光電通信等快速應用中應該使用該模式；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量。下面詳細的介紹光電二極管的光伏型工作模式。2.2 光伏模式檢測電路的分析光電二極管的光伏檢測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、結構和偏壓有關，偏壓越大，耗盡區(qū)越寬，越小，對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；是光電二極管的結電容，它的大小同光電二極管尺寸、結構和偏壓有關，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，結面積越小，越大；溫度越高，越小。對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結等效二極管，為負載電阻。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是有關常數(shù)，對于硅光電二極管，稱為熱電壓。由圖1可知，流過負載電阻上的電流為 (2)由公式（2）可知光電二極管接受光輻射時輸出的負載電流和光生電流并非線性關系。如果去負載電阻為零，即輸出短路的條件下，由于，則公式（2）可化簡為 (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，可得 (4)即輸出電流接近光生電流，也就是線性好。因此在實際使用光電二極管進行測量時要選取大、小和小的光電二極管，并在輸出短路狀態(tài)下工作。 第3章 低噪聲光電檢測電路設計3.1 電路的噪聲分析3.1.1 熱噪聲由導電材料中載流子不

9、規(guī)則熱運動在材料兩端產生隨機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，其一般關系式為 (5) 式中：K為波爾茲曼常數(shù)；T為材料的絕對溫度；為光電檢測電路中的總電阻隨頻率的變化關系，純電阻時，與頻率無關，則 (6)當時，,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，電阻是主要的熱噪源，在不變時，減少和的值可有效減少熱噪聲。如在室溫下，對于的電阻，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，為 (9) (10)在這種狀態(tài)下，進行nw(或pw)級的測量將很困難。3

10、.1.2 散粒噪聲由光生載流子形成和流動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立的，則總的噪聲電流的均方值為 (13) (14)當時，經(jīng)前置放大后的噪聲電壓為 (15)若直流光電流約為0.15A，則光電轉換信噪比SNR為 (16)3.1.4外部噪聲光電檢測

11、電路外部噪聲包括輻射源的隨機波動和附加的光調制、光路傳輸介質的湍流、背景起伏、雜散光的入射、振動、電源的波動及檢測電路所受到的電磁干擾等。這些噪聲擾動可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾波片、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變化屬于緩變過程，可忽略硅光電二極結電容的影響。為進一步分析討論放大電路對檢測系統(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算放大器的均方根輸入噪聲電壓和電流，為運算放大器反饋電阻產生的熱噪聲電壓。和分別為 (17

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

13、運算放大器組合電路總的影響導致電路輸出噪聲加大，限制了對微弱光強信號的探測。由于各噪聲互不相關，其綜合影響為單獨存在時的均方根值： (24)光電二極管信號電流經(jīng)運算放大器后的輸出為 (25)故電路組合的信噪比為 (26)計算出光電檢測電路的信噪比，修改光電檢測電路的器件參數(shù)，以滿足設計要求。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。采用非常低噪聲運算放大器OPA725，因為它具有優(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）、 、 、大小與檢測光信號的頻率有關。已知溫度變化范圍為，T為300K，由，當入射光功率P為時，可以算出輸出信號電壓為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器的輸出電壓滿足模數(shù)轉換器（ADC）的要求，即輸出電壓范圍為05V，在實際中，首先測量光信號的最大功率，然后再設計Rf的值。若給定光信號最大功率為，仍選用 為，可以得到約為4V的輸出電壓。運算放大器的調0電阻為，2個容量為的電容鏈接在運算放大器的正負電源和地之間，用于濾除電源的波動。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檢測電路見圖3。光電二極管工作于0偏壓，光電二極管和運算放大器的兩個輸入端同極相連，運算放大器兩個輸入端間的輸入阻抗是光電二極管的負載電阻，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，時，很小，可以認為光電二極管處于短路工作狀態(tài)，能測量出近于理想的短路電流。處于電流放大狀態(tài)的運算放大器的輸出的電壓與輸入短路光電流成比例，并有輸出信號與輸入光功率成正比。此低噪聲光電二極管探測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)點使其廣泛應用于弱光信號的檢測中，經(jīng)適當?shù)膮?shù)調整，可檢測nA級

16、的弱光信號。光電二極管的噪聲主要是光轉換器件內部電阻及PN結中載流子隨機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；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；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。文中設計的低噪聲光電二極管檢測電路僅從光電二極管，放大器及阻抗方面去降低噪聲。在實際電路設計時，不但要選擇相應的電器件，還要考慮光信號特點，才能設計出符合要求的低噪聲光電檢測電路。0.1F1M10k+15V0.1FUo0.1F-15VOP27 圖3 光電二極管探測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激光器波長為處的光電靈敏度（S）為，響應時間為，結電容Cj為12pF，內阻為，光敏面直徑為1.2mm。采用低噪聲運算放大器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，輸入失調電壓溫漂系數(shù)為，輸入失調電流溫漂系數(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，當入射光功率P為，利用公式（26）以算出：輸出信號電壓為0.27V,等效輸出噪聲電壓月為3mV，信噪比為，隨著信號的增加，信噪比會增加。為了能使光電二極管探測器的輸出電壓滿足模數(shù)轉換器（ADC）的要求，即輸出電壓范圍為05

18、V，在實際中首先測量出光信號的最大功率值，然后再設計Rf的值，若給定光信號最大功率值為，仍選用Rf的值為1M，可以得到約為4V的輸出電壓，運算放大器的調零電阻大小為。兩個容量為的電容連接在運算放大器的正負電源和地之間，用于濾除電源的波動。第4章 安裝與調試4.1 器件準備本次電路設計需要用到的實驗器件如下：（1）單片機AT89S51：AT89S51型單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的8位單片機，功能強大，可以靈活的應用于各種控制領域。（2）模數(shù)轉換器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LED不亮，順向偏壓時LED發(fā)光。4.2 搭接電路焊接元器件的時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部鏈接關系，以免造成電路的短路或者斷路。在連接電路時，常出現(xiàn)導線雖已插入插孔，但未能與面板內部鐵片緊密接觸，是電路無法形成通路，從而導致實驗現(xiàn)象無法出現(xiàn)。由于電路較為復雜，連線較多，在實際連接時要十分注意導線兩側管腳是否接通。4.3 調試電路首先調試光電檢測電路。調試的重點是運算放大器的調零。先把光電二極管輸入光路斷開，是檢測系統(tǒng)處于無光照條件下，調節(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生光電流，光電流經(jīng)過電流-電壓轉換器，轉換為范圍在05V之間變化的信號。然后調試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將匯編程序用計算機軟件編譯無誤后，生成HEX格式文件。用單片機編程器將此文件燒制到AT89S51中。將光電檢測到的電壓信號輸入到ADC0809的INO管腳。電壓信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉換為數(shù)字量，并送至單片機的P1口的輸出數(shù)字信號直觀的顯示出來，表明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正常工作。經(jīng)過以上的調試表明光電檢測系統(tǒng)