【《硅光二极管光电检测电路特性、响应和相关电路设计》8200字】

PAGEPAGE6硅光二极管光电检测电路特性、响应和相关电路设计摘要本课题目的在于研究一个便于满足对微弱光环境下的光源进行探测检测的相关电路，通过了解以及分析了相关元器件，并着重研究了硅光二极管光电检测电路的一系列特性和响应和相关电路设计形式，最终确定选用硅光二极管探测器件DET36A和低噪声、高增益运放芯片UA741做选件研究设计一款便于应用在微弱光环境下的光电检测电路。根据硅光二极管在检测时相关特性及线性的影响，对内部、外部噪声来源以及影响信噪比的因素、频率失真、输出信号等方面进行列式分析，再通过选用软件对整体设计进行仿真实验，最终获得光源对照的电压值显示，完成此次课题基本所需要求。关键词：硅光二极管；光电检测；低噪声目录TOC\o"1-3"\h\u16629第1章绪论 1232011.1研究背景与意义 298501.2国内外发展现状 319219第2章特性分析 4316312.1线性响应分析 4121532.1.1基本结构和工作原理 4101342.1.2线性响应与电阻关系 5135432.1.3参数分析 5316312.2噪声特性分析 6135432.2.1散粒噪声 7135432.1.3热噪声及信噪比 823467第3章检测电路的设计 9113033.1基本设计要求 9134873.2检测系统基本构成 999273.3器件及运放芯片选择 10323663.4光电转换、放大电路 12146343.5单片机及其应用 1331796第4章章仿真结果分析 14131534.1设计原理图 1458234.2运行分析 15486总结 1710755参考文献 18第1章绪论1.1研究背景与意义在我们的日常生活以及工业制造等许多方面，对光电检测和光电转换并不陌生，例如拍照时使用的数码相机，数码摄像机可自动对焦，红外测距传感器自动感应灯可对光源亮度自动检测调节。在医疗方面：红外测温计、大型扫描仪、点钞机等。军事方面：夜视仪、可视对讲预警监测系统、拦截器等无一不用到相关光电技术。所以在伴随着现代科学技术以及庞大自动控制系统和信息处理工艺的改进，光电检测工艺已经成为当代信息科学的一个不可或缺的组成部分。光电检测技术具有高精度、快速、非接触、频宽、信息容量大、效率高等突出特点，发展十分迅速并推动相关技术的研究发展，成功的将光学技术与现代科学技术相结合，并广泛应用于农业、工业、家庭、医学、军事、空间科学以及核领域等众多方面[1]。诸多领域中，几乎都涉及到将所采集的光辐射信息通过相关元器件的内部系列操作转换为电信息的检测与分析。而二极管同样在日常生活中也不可或缺，应用极其广泛。二极管的种类有很多，优缺点也在各方面都有体现。比方说：发光二极管，检波二极管，有较高的检波效率和工作频率。稳压二极管，整流二极管，结面积大，但工作频率较低。PIN光电二极管有很宽的本征区域可应用于衰减器、频射交换机等其噪声主要是暗电流以及光子产生的散粒噪声等、雪崩二极管，吸收原理和PIN管相似等等[2]，每种类型都有其发展优势和改进空间，利用二极管和电阻、电容、电感等元器件合理连接，构成不同功能的应用。像街道上的霓虹灯、电子显示屏，像现在不离手的mp3、mp4、手机，像代步的汽车以及机械仪表等，几乎所有电子电路都需要二极管的参与。虽然重要，但日常对于二极管的了解总体来说还是比较陌生，但在专业领域，它发挥着极为重要的作用。二极管，三极管以及前面提到的光电检测，其中光电转换技术的发展已日渐完善，尤其现在各国科学技术突飞猛进，更是渗透到各行各业中，许多科技研究都在未来科技的发展中体现着自身独特的作用与价值，发展趋势不容小觑。在居民生活，工业生产等场所对此项技术的需求也逐渐加深，为了更全面的优化发展，所以更加深层次的研究光电检测技术以及研究多方面综合运用，对提高我国国民经济，科学技术水平起着举足轻重的作用，同时也侧面反映了此项研究的重大意义。1.2研究现状半导体是一种特殊性质的物质，介于导体和绝缘体之间，二极管便是一种半导体，最明显的特征就是单向导电性。在最初的20世纪中期，二极管就已经问世也作为了指示灯应用于收音机等电器中。为了更深的开发其他特性以及巨大的市场需求，科学家不断研究分析，逐步完善。所以，光电产业列入21世纪极具科学研究并促进经济提产业升的队列中。液晶、发光二极管显示屏LED、激光等产业均有体现。从上个世纪五十年代演变到如今，此项科技已取得了日见成效的突破。因为各个国家的研究方向突破点不一，光电检测技术工艺的发展方向也多样化并极具特征。正因如此，许多机构也在开发研究各种合适的设备，在国内，从1986年863计划至今，已有30多年的发展历史，通过科研人员不断努力，在材料、器件、工艺和应用等方面都有较好的发展[3]，其中屈梁生院士提出了一种差分振子检测任意频率正弦信号的方法并已成功运用于机械故障的信号采集和检测系统中[4]。现如今发展相对较完善的有无损探测技术，不同于传统物理化学分析方法，主要运用光学、电学、声学等在不破坏样品前提下对样品进行分析，既探测了有效信息又保留了完整性。使得分析结果更加精确，对于研究更进一步完善。新研制的防扰动检测装置，通过完善红外发射管基本指标等最终极大程度减小了电气声源影响。在大型机电设备、工厂实际应用等实践下表明其可靠性和抗干扰性有着极大的提高。光电检测技术的发展经过无数的科研人员共同攻克，可谓逐渐成熟，并发展出纳米、亚纳米高精度的光电检测新技术。小型、快速的微型光、机、电检测系统在各个领域应用越来越广泛，非接触、在线测量等特点基本替代原始的接触式、相对缓慢的技术。并向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术方向发展[5]，封闭工作状态下光电检测系统，达到检测光电量与控制同步结合。在科技不断飞速发展下，光电检测技术将向着智能化、数字化、多元化、微型化、自动化等众多方向全面发展，而智能光电检测系统为当前最主要的研究方向之一，集成了光学采集、光学变换、光电转换、电路调理、外围接口以及信息输出等技术，在强化人工智能系统的帮助下，提高了数值处理和分析效率。所以对光电检测技术的相关研究也一直投入更多的精力。在此基础上，将二极管与光电检测技术相结合以此呈现出更现代化的科技也是发展的方向。由于硅光二极管的种种优良特性而被广泛应用于光电检测电路中，尤其在激光通讯测量，当前对二极管光电检测整体所带有的电流、噪声等影响因素已进行大量的推算分析，也对电路的设计结合多种形式并优化。第2章特性分析2.1线性响应分析在日常的光电检测作业中，具备优良的输出线性通常是对光敏元件的一个要求。而硅光二极管的特性相对优良，用于激光测量功率时，下限可达到1×10−8W，2.1.1基本结构和工作原理光电二极管作为光电变换装置，并不用于整流装置中。其中PIN型，在电子型半导体和空穴型半导体组成的耗尽层，能够有一个耗尽深度大而电容小的状态，更好的工作在反向偏压状态。基本原理是入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子-空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流[7]。在二极管受光辐射后会产生光电流IP、暗电流Id、噪声电流In，暗电流则会影响二极管的探测灵敏度，并且二极管应用时所加偏压越高、结面积越大均会导致暗电流增大，Rs是串联电阻，Cd是结电容，偏压越大，Rs、Cd图2.1硅光二极管等效电路图2.1.2线性响应和电阻关系在光电检测中二极管测量的一般为稳定的光信号或低速脉冲信号，C1、Cd影响可以忽略不计，通过等效二极管Id=I0:光电二极管反向饱和电流、q：电子电量、k：波尔兹曼常数、Ud：加在硅光二极管上的电压、A作为常数，对硅材料而言，A≈2，=KT/2，称为热电压，流过负载上的电流为IL=流过负载上的电流受硅光二极管结构分流及自身阻值影响，受光辐射后，输出的负载电流呈指数关系，并非线性关系，但要使=0，有：IL所以，如果使得暗电流I0有极小值，串联等效电阻Rs相对小，Rd比较大的硅光二极管，然而其结面积较小，进而所得光电流IL的值通常情况下仅有几十到几百纳安，进而一般可以保证ILRS远远小于AVT因此，硅光二极管进行光电检测时，为提高输出端线性度，要满足在输出短路状态下进行。二极管的参数选择尽量Rs小、I0小2.1.3分析测量二极管有两种工作模式：光伏模式（零偏置）和光导模式（反向偏置）光导模式：展现在此模式状态下，存在有外界的偏压施加，检测到的电流表示装置收到的照射强度，输出光功率和输出电流成正相关关系。偏置电压世外加使耗尽区基宽明显提高，灵敏度增高，结电容降低，响应度渐近成一条直线，在以上描述状态下很容易产生极高的暗电流，此时挑选适合的光电二极管就能够进行调整。光伏模式：零偏置，电流流向基本被固定，转化为一个电压，正是由于光伏效应，因为这种状态下所持有的暗电流极小。故选择光伏模式[9]。暗电流：暗电流是有偏压时的漏电流，存在于二极管内的微小反向电流，且与温度升高成g正比，也是硅光二极管最重要的参数之一，决定了能被检测到的最小光功率，其他参数如动态内阻和噪声电流等都与暗电流有直接的关系。据查阅相关资料，PIN型二极管在十五伏电压反向状态下，暗电流低于十纳安。光电流：主要受光照强度的影响，关系式：，E为光照强度，V=1±0.05一般情况下这个值能跟光照强度的上升导致间接提高，光照条件越高越好，和光电流成正比。2.2噪声特性分析对于信号而言，噪声干扰会影响系统误差增大，而噪声是一种随机信号，不能用常规值来确定其大小，是由振幅随机和相位随机的频率分量组成。实验中最熟悉的是散粒噪声、热噪声等，下面做简单的概述。图2.2硅光二极管检测电路等效模型2.2.1散粒噪声除了电阻中自由电子热运动所导致的噪声外，载流子流过位垒时也会发生，散粒噪声则是由PN结中随机电流产生，是PN结载流子流动的随机变化而引发导致的噪声，与频率无关，属于白噪声。在二极管反向漏电严重的状态下，会导致较大的散粒噪声，设是管子工作的频带宽度，Is≈Ip为通过PN结的电流，q为电子电荷，则Ins可表示为：Ins2.2.2热噪声及信噪比热噪声普遍存在于电阻性器件，代表最小噪声水平，处于绝对零度以上的导体中，自由电子做着无规则热运动，方向、速度均随机。逐渐形成无规则电流，且随时间增长随机变化，成为热噪声，由于约翰逊1928年首次发现，也称为约翰逊噪声。热噪声所产生的电流值如下[10]：Irn则可得知总噪声电流为：In∆f=图2.3中，En为运算放大器输入端的等效电压噪声，IEn=(eEn，In一个表示电压声源干扰密度的输入值，一个表示电流声源干扰密度的输入值。用VVnf=则总等效噪声VnVnV0=ISNR=V0因此，为了提高输出端信噪比，需：（1）确保使用并联分流电阻Rd较大，同时电流输出端I相对条件下高（C（2）选择输入端电压、电流噪声密度均较小的；（3）反馈回路的反馈电阻、电容不影响正常工作应尽可能较大[14]。

第3章检测电路的设计3.1基本设计要求检测电路的应用设计在基础上要依据所测光源的性质、强弱、噪声等条件来确定电路基本形式和相关的具体参数，确保在最理想的工作状态下完成对整体光电系统的检测。灵敏的光电转换能力将光照持有的信号转变成对应的电信号，并且拥有高能力互换，才是一个实现光电检测装置的先决要素。快速的动态响应能力伴随系统整体设计的不断提高，对各个环节动态响应方面的检测也要有所提升。光信号测量应用应达到在实验相关频率随机性或在瞬间变化的信号的迅速捕捉反馈方面中，信号通道所表现出来的一系列要求。最佳的信号检测能力最重要的是指相关检测电路中有用信号在输出信号中所占的比例多少，一般情况下选择功率以及信噪比等参数进行表征，简而言之是电路应拥有检测可靠必不可少的最小信号检测功率或信噪比。长时间工作下的可靠、稳定首先保证工作的可靠，尤其在一些特殊场合，对系统也是一个较好的验证，保证稳定工作是较好测量的前提。各方面均稳定运行方可利于后续的研究与进展。3.2检测系统基本构成作为一个完整的检测系统，其基本结构由光源、被检测对象、光信号匹配处理、光电转换、电信号放大、信号处理、微机、控制系统、显示等模块构成[15]。图3.1光电检测系统基本组成光照来源：是检测系统中最基本的量，对光源的来源并不做很严格的要求，如激光器件，聚光灯，LED灯，手电筒等。实验待测量参数：当光源照射在检测装置上，凭借两种介质在传播方向偏转、反弹等现象，进而呈现待测量的光源参数。对信号进一步加工：使实验检测到的物理量与检测光电装置等进行相关适配，这就要求把亮暗、光谱等信息做进一步的优化。光电转换：简而言之就是将通过测量得来的光源信号经过器件内部转变，变为实验研究所需的电信号。这一步骤是整个实验中的关键操作，涉及到全体装置的响应反馈、精确度等一系列相关响应。所测参数放大：此个环节通过电子线路连接。光电传感器可以将输出的微弱电信号进行一系列放大、数电/模电、模电/数电、运算等处理。但光源采集、光信号处理、光电转换的等操作整体要保持一致，保证各个环节的匹配。微机和控制系统：最后将处理好的信号直接传输到控制系统中，可通过显示器显示出各种相关数据以便查验和改正。3.3器件及运放芯片选择经上文分析，选择用光电探测系列DET36A硅光探测器，搭配高精度、低漂移、性能稳定的UA741运算放大芯片来设计微弱光光电检测电路。1.硅光探测器：可通过其内部密封的PIN硅光二极管有效面接受光源照射并实现光电转换。经查阅资料，其光谱响应范围在350~1000nm，有效感光面积13mm²（3.6mmX3.6mm），暗电流0.35nA，分流电阻Rd＞10MΩ，串联等效电阻Rs＜50Ω，结电容Cd为40pF，响应度为0.65A/W。当辐射光源打在硅光二极管装置上，当符合光子能量大于等于能隙条件时，会使PN2.UA741通用放大器：此款运行极其普遍，分两列直接插入式八脚或者圆筒封装。图3.2UA741放大器输出入脚位图它内部构造涵盖双独立，增益高运算放大器，很好的应用在较宽的独立电源中（同样可运行于双源状态）有99分贝、1兆赫兹的增压和宽频。是一种美国通用单位设计的双集成电路，融合了靠空穴流动运送电流的场效应管及压值大晶体管的优势。压值可达正负二到正负十八伏。效率变换九伏，差分压值达正负30V，范围内功率损耗达五百毫瓦。引脚一，五做归零调制端口，引脚二，三做正反输入接口，引脚四通地，引脚六是输出，引脚七做通电接口，八闲置引脚。放大器作为线路反馈装置，转换倍数通过外部器件调节，一般情况，理想状态为无限放大，现实工作中参数也很高，所以增益输出与差动输入相比近乎为零。3.4光电转换、放大电路图3.4PIN基本放大电路图3.5PIN基本放大电路噪声模型输出SIGNAL-NOISERATIO和响应阻值的大小成正相关，可以改善RF相应的参数来使信噪比有效的提升，进而可使光电流获得较好的增益。安装中，RF要使用声源干扰、温度指标小的金属膜电阻。此外，相关参数要根据显示给定的区间值来调节。因为后面还需要连接一些信号处理电路，所以应根据光电流Isc的最大值来确定Rf的大小。图3.6一般前置放大电路3.5单片机及其应用1.单片机的应用可谓是几乎覆盖全方面商业区，因特尔科研平台研发了一款使用简单，价格合理，各方面功能针对一般情况满足的芯片。此款型号的芯片是有四k字节能够进行计算机语言汇制的闪光擦除只读储存装置，是场效应管八位处理器件，融合爱特梅尔高集中度方便保存的科技打造和工业生产的其他类型的语句程序及引脚相匹配。图3.7AT89C51单片机结合平面图进行构造解析，特性包括与其他型号的高匹配，参数存储时间较长，可在0到24赫兹区间工作，32输入输出接线等。每个引脚都有各自的功能，像恢复初始状态、中断零中断一、锁定存放、震动装置、时间显示等模块。LCD屏显装置在此次实验中选取的是LM016L型号产品，可完成数字符号偏移，闪光效果，可和单片机进行两种传送方式，一般情况下有十四或十六个出脚接线。它的优点在于功率损耗低，电磁干扰为零，自身显示范围大；但也存在相对劣势为反馈周期长，造价不均，后期调整维护复杂，本身发光二极管用于照明作用，本次实验针对光源亮暗进行检测，所以最终选择合适的器件进行后续开展。图3.8LM016L显示屏第4章仿真结果分析4.1设计原理图图4.1光电检测设计原理图本课题运用proteus进行仿真，通过上面一系列分析及器件选择，仿真原理图设计最终确定上图。通过硅光二极管进行照射光源的捕捉摄入，再经过UA741运算放大器的内部运转、放大等步骤加工处理，最后再通过与单片机和显示屏的连接，得到根据入射光源的强弱或距离等不同影响因素相对应的电压值。4.2运行分析考虑到本系统主要做光源检测，所以将光源距离分为10档，分别代表测试器件离照射光源的距离，最高转换值设置5伏特，最低转换值根据各元件参数值基本处于0.03-0.05附近。首先通过ADC0832实现所捕捉的模拟信号到数字信号的转变，再将数据线，时钟线和片选引脚与单片机相连接，因为要通过显示屏来显示具体实际数值，需要单片机连接一个显示屏，就需要用到排阻来当上拉电阻，实现增大驱动电流的功效。通过硅光探测器件的捕捉，做内部模拟-数字转换、将加工处理完的电信号再进一步由UA741进行信号的放大处理，最终在显示屏上显示出经过转化后的确切数值。先点击左下角的三角进行开始，此时照射光源距离探测器距离最远，几乎受不到一点光照的情况下显示0.05伏特；再近一些，得到0.25伏特；随着再接近，得到0.47伏特；0.84伏特、1.68、2.50、3.35、4.17、4.54、4.98。整体设计为0-5V，针对不同位置，电压强度也不同，很好的反应了运用硅光二极管对光进行检测的数据。图4.2远距离电压显示值图4.3中距离显示电压值图4.4近距离显示电压值结论本课题是以光敏二极管及运放芯片为核心，实现在微弱光源环境下的检测，在整个设计过程中，分为四个部分，根据查阅资料、程序设计、原理图绘制、仿真实验等对整体加以完善。本课题针对硅光二极管光电检测的设计，主要进行下面工作内容：通过显示屏实时显示光电转换的电压值。设置转换值为0-5V，当改变各元件参数值时，相对应的转换电压也会随之改变，如把相关电阻、电容值增大10倍，转换电压值相对增大；反之，如果均减小，电压值也减小。3.整体仿真过程满足基本的光电检测模拟，实现了一般情况下基本实验测试。实际精度不是很高，有一定的检测误差，将各参数调整，输出值也会随之上下有细微变化。参考文献[1]袁明辉,郭天太.光电检测技术的发展趋势及应用前景[J].应用科技,2009.77.[2]黄敏敏,朱兴龙.硅光电探测器的发展