一种弱光信号光电检测系统的设计

一种弱光信号光电检测系统的设计1引言光的信息就存在于光强和相位中。而相位信息又是通过干涉转化成强度信息进行测量的，故光强的测量是很重要的检测目标。光强变化的检测要针对光的变化特性进行设计。第一，入射光从频谱方面分析有单色的，有白光的，有特定光谱的；第二，光强有缓变和快变之分，一天之中日光强度的变化就属于缓变，再快一点的话如屏幕上木一个像素点随动画播放强度的变化，更快的还有人眼无法识别的，这将涉及到器件的响应度；第三，光强有变化幅度的问题，变化幅度有大有小针，这将涉及到器件的灵敏度；第四，光强的静态点，如果静态点在零点，且属于小幅度变化便属于微光检测。本段是对光源的分析，这是设计的目的，理想的检测是能针可以检测任意光强处，光强度的极高频极微弱变化，显然这是无法达到的，只对特定的需求进行设计。光电检测的第一步是分析光，及其设计目标。第二步是光感应器件。第三步是配套电路。光电器件涉及到半导体，光与物质间的作用和原件制备工艺与技巧等知识,这些会影响器件的性能误差等参数。再根据电子技术知识，通过电路优化消除误差，可得出理想的电路。误差的来源有光电器件的非线性性质，外界温度，放大器件本身的噪声。能感应光强的器件有：光敏电阻，光电池，光电二极管（PIN管，雪崩管等），复合光电三极管，光电三极管。其中响应最慢的是光敏电阻，他不但惯性大，还具有前历效应。本实验选用光电二极管，它具有较快的动态响应。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。 光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是，在电路中它是通过它把光信号转换成电信号。光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光强的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。本试验采用光电二极管，完成对低频微弱光信号的检测。对微弱或极微弱光的检测,在科学研究，生活应用和军事等领域有广泛的应用。为将微弱光信号转换为电信号以方便后级电路处理,设计了针对于微弱光信号检测电路。电路由光电转换和前置放大两部分组成。该放大电路设计可有效放大低于1nW的微弱输入信号,同时对噪声也有很强的抑制作用。微弱光信号检测的一般办法是通过光电转换器件将微弱的光信号转换成为微弱电信号,然后再通过电路放大,将这个微弱电信号转变为可处理的电信号。微弱光信号检测的难点在于光电信都很微弱，所以制作低噪声、高精度光电放大器是关键所在。现在一般采用光电转换电路和前置放大电路组成放大器的方法,并且多采用专用集成电路来构建电路。全部采用专用集成电路的方法缺乏灵活性,在有些应用中并不十分合适,因此本文比较了专用集成电路和相对分立的元器件构成。前置放大电路采用两种方式：一种使用对管和高精度集成运放OP07构成对数的放大电路；另一种使用专用集成电路LOG100。实际表明在输入为微弱光信号情况下,分立电路更能有效抑制干扰信号,并为后继处理输出有效信号。2基本原理电路由光电转换和前置放大两部分组成。光电转换电路采用低输入偏置电流运算放大器AD549实现；前置放大电路使用对称三极管组成的对数比率放大电路实现，并在同等条件下与集成电路LOG100组成的前置放大电路相比较。2.1光电二极管的技术参数1. 最高反向工作电压；2.暗电流；光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流.(它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流.)3.光电流；4.灵敏度；5.结电容；6.正向压降；7.响应度响应度是光生电流与产生该事件光功率的比。工作于光导模式时的典型表达为A/W。响应度也常用量子效率表示，即光生载流子与引起事件光子的比。8.噪声等效功率噪声等效功率（NEP）等效于1赫兹带宽内均方根噪声电流所需的最小输入辐射功率，是光电二极管最小可探测的输入功率。9.频率响应特性光电二极管的频率特性响应主要由3个因素决定：a.光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；b.光生载流子在耗尽层内的漂移时间；c.负载电阻与并联电容所决定的电路时间常数。光电二极管与光电倍增管相比，具有电流线性良好、成本低、体积小、重量轻、寿命长、量子效率高（典型值为80%）及无需高电压等优点，且频率特效好，适宜于快速变化的光信号探测。不足是面积小、无内部增益（雪崩光电管的增益可达1001000，光电倍增管的增益则可达100000000）、灵敏度较低（只有特别设计后才能进行光子计数）以及相应时间慢，且工艺要求很高。光电二极管和一般的半导体二极管相似，可以暴露（探测真空紫外）或用窗口封装或由光纤连接来感光。2.2光电二极管的种类PN型特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真发射键型特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体用途：主要用于紫外线等短波光的检测雪崩型特性：响应速度非常快，因具有倍速做用，故可检测微弱光用途：高速光通信、高速光检测 用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真发射键型特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体用途：主要用于紫外线等短波光的检测雪崩型特性：响应速度非常快，因具有倍速做用，故可检测微弱光用途：高速光通信、高速光检测2.3光电转换电路光电二极管是光电转换电路中的主要器件,其灵敏度和动态响应速度是整个检测电路工作速度和精度的先决条件1-5。本实验中光电二极管使用PIN硅光电二极管(S1227-66B),它具有灵敏度高,暗电流小的优点。图1为实验中采用的光电转换电路的发等效电路。由理论分析可知,电路输出电压为 uo1=IRF=SPRF式中:S为光电二极管的灵敏度;P为入射光功率。实验中光电二极管的灵敏度S为0.36A/W,入射光功率为nW量级,RF值为数百k数百M,输出电压uo1的值为几mV几十mV。电路中CF用于防止电路自激振荡和抑制噪声干扰,同时也限制电路的带宽1/2RFCF,保证电路工作在良好的线性条件下,也减小了带外干扰的影响。在微弱光信号检测中,因输人的光功率通常在0到几十nW之间,光电探测器输出的光电流约为几个到几十nA之间,故对前级运算放大器(图1、图2ICO)的要求较高。为了获取较好的信噪比,一般要求输人偏置电流比输人信号小12个数量级。本实验中选择了具有较低的输入失调电压和极低输入偏置电流的AD549作为前级放大电路的运放。图2为光电二极管等效电路,输入偏置电流IB对输出电压的影响为IBRF,输入失调电压VB对输出电压的影响为(1+RF/RS)VB。为得到较高的输出电压,实验中RF取数百M。由于AD549S系列的输入偏置电流不超过100fA,所以IB对输出电压的影响一般为十几个V,通常可忽略不计。光电二极管内阻RS的值约为10M,AD549S的输入失调电压在0.3mV左右,这样VB对输出电压的影响可能达到几个mV,对于微弱信号的检测有较大影响。为了减小这种影响,RF的值不宜选择过大,同时接入微调电阻,将输入失调电压降为最小。2.4前置放大电路光电转换及放大电路输出的信号只有mV量级,因此需要工作稳定的低噪声前置放大电路将信号进一步放大,以便与后续的控制和运算系统对接。由于对数比率放大电路相对于线性放大电路具有控制简单、动态范围大和线性度好的优点,且对数放大电路能够实现数据压缩的功能,方便与A/D转换器连接,本实验中采用对数比率放大电路作为前置放大电路,如图3所示。为了克服温度的影响,电路中采用了2只对称匹配的晶体三极管来消除晶体管集电极电流的温度漂移。同时,由于u0还与UT(温度电压当量,约为26mV)有关,而UT受温度影响较大,本实验中利用具有正温度系数的电阻R5来补偿UT的温度影响。IC1和IC2均采用低噪声高精度集成运放OP07,CF1和CF2用于相位补偿,保证闭环工作的稳定性。由图3知:将光电转换电路的输出uo1接在前置放大电路的u1端,调整u2的值即可得到不同的增益。最终的结果为u0。 3设计分析光电二极管使用PIN硅光电二极管(S1227-66B)。光电二极管的灵敏度S为0.36A/W,入射光功率P为nW量级,RF值为数百k数百M,输出电压uo1的值为几mV几十mV。实验中选择了具有较低的输入失调电压和极低输入偏置电流的AD549作为前级放大电路的运放。调节u2可得到不同的增益。由反馈电压u0，增益电压u2和上式中固定参数可求出入射光功率P。4结果讨论此光强测量方法可以完成对nW量级的光强测量。优点是通过温度反馈消除了温度对测量精度的影响。有待改进之处是，增加后续电路还可以完成对测量数据的数字式显示，存储和其他运算 火焰检测报警器一、设计要求 设计一个简易的火焰检测报警器，实现当打火机火源靠近时，蜂鸣器能迅速鸣响（最长延迟时间不超过三秒）实现报警功能。2、 设计原理1.总体框架本实验采用红外接收二级管来作为火焰检测部分的传感器，当光照射到半导体PN结上时，先产生电子空穴对，最后形成光电流输出。红外接收管的短引线端为负极，长引线端为正极。将负极接到5V上，然后将正极与10K电阻相连，电阻的另一端插到GND插口中，最后从火焰传感器的正极端所在列引出一线插在模拟口中。这样，有火源接近时，红外三极管产生电流，从而改变火焰传感器的正极端的电位。把引出的这个信号接至电压比较器的反相输入端，电压比较器的同相输入端用一个电位器来控制阈值电压，输出接用三极管8550和蜂鸣器结合的驱动电路，调节好同相输入端的阈值电压，使得有火源时，反相输入端电位升高，并达到阈值，从而使输出跳变成低电平，蜂鸣器报警。2.光波特性火焰是由各种燃烧天生物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的 1 2 m 近红外波长域具有最大的辐射强度。例如汽油燃烧时的火焰辐射强度的波长。3.红外接收管红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接收入，电流则随之增大，红外接收管分两种，一种是二极管，一种是三极管。特点：快速响应时间，灵敏度比较高，小结电容，环保。红外接收管是一种特殊的光敏二极管。 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结,利用光生伏特效应制成光敏二极管是将光信号变成电信号的器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。 光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。 它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。4. LM393电压比较器介绍 电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放