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论文测控电路 论文(定稿) 电子工程学院课程设计说明书设计题目光电二极管信号调理电路系别年级专业学号学生姓名指导教师教师职称课程设计（论文）任务书院（系）电子工程学院基层教学单位物理电子工程系学号学生姓名专业（班级）设计题目光电二极管信号调理电路设计设计技术参数设计光电二极管的微弱电流检测电路及其噪声滤波电路。 自选一款光电二极管，根据其量程，使调理电路输出信号幅值为02.5V设计要求1完成题目的理论设计模型；2完成电路的multisim仿真；工作量1完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果)2提交一份电路原理图；工作计划参考资料1基于运算放大器和集成电路的电路设计2模拟电子技术3电路理论4数字电子技术指导教师签字基层教学单位主任签字说明此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 xx年月日目录第1章摘要4第2章引言4第3章电路设计与计算53.1总体设计53.2部分设计5第4章结论与参考文献134.1心得体会134.2参考文献14第1章摘要大多数的光电器件都需要检测与转换电路才能实现光电信号的检测变化，通常光电检测电路由光电检测器件，输入电路和前置放大器组成。 其中，光电检测器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节。 为了实现对光电信号的精确检测，前置放大及耦合电路是电信号必须要经过的重要环节。 输入电路是连接光电器件和前置放大及耦合电路的中间环节。 它不仅为光电器件提供正常的电路工作条件，并且同时完成与前置放大及耦合电路的电路匹配。 第2章引言光电二极管的微弱电流检测电路及其噪声滤波电路设计，主要是指光电器件输入电路的静态工作点设计等部分内容。 它的基本作用是为光电器件提供匹配的电路工作条件，并进行电参量的变换，同时完成前置放大及耦合电路的电路匹配。 由于不同的光电二极管拥有不同的特性和技术指标，因此与之相配的输入电路也各不相同，输入电路的设计应根据光电二极管及输入信号的性质、大小及光学和器件的噪声、电平等初始条件，同时考虑输出电平和通频带等技术要求，最终确定电路的连接形式和工作参数光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术和计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术,是获取光信息或借助于光提取其它信息(如力、温度、声音、电流、生物)的重要手段。 采用光电检测方法就是把调制到光载波上的有用信号解调出来,实现光信号到电信号的转换。 因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的,各种噪声的干扰直接影响有用信号的测量精度,这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高响度小的附加噪声、快的响应速率且具有能处理所需要的数据的足够带宽。 另外，与探测器相连的前置放大电路也应当设计合理,以获得大的动态范围和高的信噪比。 本文基于这一思想在实验过程中总结设计出一种实用的前置放大电路,这一电路已被应用于高压光纤电流传感器中,并取得了较理想的效果。 第3章电路设计与计算一总体设计光电放大滤波电路总体分三部分，各部分如下1.光电转换部分功能将照射的光能转换成能检测的电流信号。 2.前置放大部分功能将微弱的电流信号放大到足够识别的电压信号，如设计要求提出的0到2.5v电压信号。 3.滤波电路功能除去前部分电阻热噪声干扰，使测量结果精确。 二部分设计 1、光电转换部分半导体材料对光的吸收遵从如下指数规律:()0()2axP xPe?=? (1) (1)式中,()a是当光的波长为时的吸收系数;0P是入射于光探测器上的光功率;而()P x是在距离x中吸收的光功率。 如果耗尽区的宽度为w,并考虑到光电二极管的入射面的反射率为Rf,那么,由于光功率的吸收而产生的平均光电流LI由下式给出()01 (1)qhvawLfIpeR?=? (2)光照下,P IN光电二极管PN结的伏安特性为:0 (1)qvkTLII eI=? (3) (3)式中,0I为P N结的反向饱和电流,V为包括外电压和光电压的实际结电压;K为玻尔兹曼常数,T为探测器的工作温度。 由式 (3)可得以LI为参量的伏安特性曲线(如图1)。 从图中可以看出光电二极管的反向输出电流与照度成正比。 在应用时,要求光伏探测器工作在线性范围内。 因此必须保证器件近似以短路方式工作,其输出电流为1qIRLkToLII eI=? (4)这时，只要满足 （4）式前部分远小于LI,器件趋于理想短路条件0qLhvIIp?=（为量子效率）即短路电流I与入射光功率成正比。 光电二极管型号参数表根据情况选取型号为2DU1B的光电二极管，在1000lx光照下光电流20A?，灵敏度0.4A?,响应时间710?s,结电容23pF。 光电二极管的光照特性曲线 2、前置放大电路部分图中光电二极管对入射光响应电流是Is,随后运算的放大器将这个电流转化成电压Vo。 信号增益As=V o/Is噪声增益An=eno/eni转折频率fp=12RC带入实际光电二极管电流范围和输出电压范围，计算得放大器信号增益为S A=2.5/20VA?=125K?12RC计算噪声转折频率（见下图）由fp=得1/(2*3.14*125*10)pfkpF=?=127KHZ取频率为80KHZ 3、低通KRC滤波器部分 （1）热噪声由导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压或电流称热噪声，热噪声电压均方值2TU取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽，其一般关系式为()dffRKTUffT=2142 (5)式中K为波尔兹曼常数；T为材料的绝对温度；()fR为光电检测电路中的总电阻随频率f的变化关系，纯电阻时，()fR与频率无关，则fKTRUT?=42 (6)当KT300=时，JKT211014.4?=,电阻的热噪声电压TU和热噪声电流TI的均方值分别为fRfKTRUT?=?=?101029.14 (7)RfRfKTIT?=?=?101029.14 (8)式中f?为噪声等效带宽。 由式 (3)和式 (4)可以看出，TU和TI与R、T及f?有关，电阻R是主要的热噪源，在R不变时，减少f?和T的值可有效减少热噪声。 如在室温下，对于?K30的电阻，如果电路的放大倍数为1，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带80fkHZ?=时，为13TUV?= (9)0.1TInA= (10)在这种状态下，进行nw(或pw)级的测量将很困难。 （2）散粒噪声由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声电压均方值2SU和电流方值2SI分别为fRqIIRUSS?=222 (11)fqI?=2I2S (12)式中q为电子电荷量；I为通过光电二极管的电流平均值，包括光电流PI、暗电流D I及背景光电流的平均值。 若只考虑光电流，令20IA?=，80fkHZ?=，则散粒噪声电流0.367SInA=,电压为25UV?=。 由式 (11)和式 (12)可知，散粒噪声电流和电压的均方值与f?及I成正比，减少f?和I可有效降低散噪声。 （3）总噪声电流的均方值热噪声电流和散粒噪声电流是相互独立的，则总的噪声电流N I的均方值2N I为2S2T2N?II?I+= (13)2T2S4?8.7*10NIIIA?=+= (14)当125fRk=?时，经前置放大后的噪声电压0.047NfI R=NV为NVmV (15)若直流光电流约为20A，则光电转换信噪比SNR为IISNR=44208.7*102.3*10PN?= （4）滤波电路K=+1BARR12211OVKVR Cs=+化简合并令2211220(/w w)w R C RC=得011221wR CRC=品质因素:1122122122111 (1)/QKR CR CRCR CRCRC=?+取单位增益K=1，列出各元件值如下2RR=2CC=1RmR=1CnC=111121/01/iooVVVK V?VVRRC s?+=于是化简得1/V VOLPH=01wmnRC，所以有各电阻电容取值如下=1mnQm=+取m=1，06wBWQ=得144n=参数取值211RRk=?11CpF=2144CpF=310R=?41RM=? 4、电路组成光电二极管信号调理电路以及参数如下图所示第4章结论经仿真后，得出输入输出信号波形如下图可以看出，所设计的光电二极管信号调理电路在较小误差范围内复合要求心得体会通过该课程设计，全面系统的理解了光电二极管信号调理电路的一般原理和基本实现方法，把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。 把学过的电子各个方面的知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己的设计表示出来，加深了对理论知识的理解；这次课程设计让我基本掌握了一些软件的使用，明白了软件仿