PAGEPAGE6硅光二極管光電檢測電路特性、響應和相關電路設計摘要本課題目的在于研究一個便于滿足對微弱光環(huán)境下的光源進行探測檢測的相關電路，通過了解以及分析了相關元器件，并著重研究了硅光二極管光電檢測電路的一系列特性和響應和相關電路設計形式，最終確定選用硅光二極管探測器件DET36A和低噪聲、高增益運放芯片UA741做選件研究設計一款便于應用在微弱光環(huán)境下的光電檢測電路。根據(jù)硅光二極管在檢測時相關特性及線性的影響，對內(nèi)部、外部噪聲來源以及影響信噪比的因素、頻率失真、輸出信號等方面進行列式分析，再通過選用軟件對整體設計進行仿真實驗，最終獲得光源對照的電壓值顯示，完成此次課題基本所需要求。關鍵詞：硅光二極管；光電檢測；低噪聲目錄TOC\o"1-3"\h\u16629第1章緒論 1232011.1研究背景與意義 298501.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 319219第2章特性分析 4316312.1線性響應分析 4121532.1.1基本結構和工作原理 4101342.1.2線性響應與電阻關系 5135432.1.3參數(shù)分析 5316312.2噪聲特性分析 6135432.2.1散粒噪聲 7135432.1.3熱噪聲及信噪比 823467第3章檢測電路的設計 9113033.1基本設計要求 9134873.2檢測系統(tǒng)基本構成 999273.3器件及運放芯片選擇 10323663.4光電轉換、放大電路 12146343.5單片機及其應用 1331796第4章章仿真結果分析 14131534.1設計原理圖 1458234.2運行分析 15486總結 1710755參考文獻 18第1章緒論1.1研究背景與意義在我們的日常生活以及工業(yè)制造等許多方面，對光電檢測和光電轉換并不陌生，例如拍照時使用的數(shù)碼相機，數(shù)碼攝像機可自動對焦，紅外測距傳感器自動感應燈可對光源亮度自動檢測調(diào)節(jié)。在醫(yī)療方面：紅外測溫計、大型掃描儀、點鈔機等。軍事方面：夜視儀、可視對講預警監(jiān)測系統(tǒng)、攔截器等無一不用到相關光電技術。所以在伴隨著現(xiàn)代科學技術以及龐大自動控制系統(tǒng)和信息處理工藝的改進，光電檢測工藝已經(jīng)成為當代信息科學的一個不可或缺的組成部分。光電檢測技術具有高精度、快速、非接觸、頻寬、信息容量大、效率高等突出特點，發(fā)展十分迅速并推動相關技術的研究發(fā)展，成功的將光學技術與現(xiàn)代科學技術相結合，并廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、家庭、醫(yī)學、軍事、空間科學以及核領域等眾多方面[1]。諸多領域中，幾乎都涉及到將所采集的光輻射信息通過相關元器件的內(nèi)部系列操作轉換為電信息的檢測與分析。而二極管同樣在日常生活中也不可或缺，應用極其廣泛。二極管的種類有很多，優(yōu)缺點也在各方面都有體現(xiàn)。比方說：發(fā)光二極管，檢波二極管，有較高的檢波效率和工作頻率。穩(wěn)壓二極管，整流二極管，結面積大，但工作頻率較低。PIN光電二極管有很寬的本征區(qū)域可應用于衰減器、頻射交換機等其噪聲主要是暗電流以及光子產(chǎn)生的散粒噪聲等、雪崩二極管，吸收原理和PIN管相似等等[2]，每種類型都有其發(fā)展優(yōu)勢和改進空間，利用二極管和電阻、電容、電感等元器件合理連接，構成不同功能的應用。像街道上的霓虹燈、電子顯示屏，像現(xiàn)在不離手的mp3、mp4、手機，像代步的汽車以及機械儀表等，幾乎所有電子電路都需要二極管的參與。雖然重要，但日常對于二極管的了解總體來說還是比較陌生，但在專業(yè)領域，它發(fā)揮著極為重要的作用。二極管，三極管以及前面提到的光電檢測，其中光電轉換技術的發(fā)展已日漸完善，尤其現(xiàn)在各國科學技術突飛猛進，更是滲透到各行各業(yè)中，許多科技研究都在未來科技的發(fā)展中體現(xiàn)著自身獨特的作用與價值，發(fā)展趨勢不容小覷。在居民生活，工業(yè)生產(chǎn)等場所對此項技術的需求也逐漸加深，為了更全面的優(yōu)化發(fā)展，所以更加深層次的研究光電檢測技術以及研究多方面綜合運用，對提高我國國民經(jīng)濟，科學技術水平起著舉足輕重的作用，同時也側面反映了此項研究的重大意義。1.2研究現(xiàn)狀半導體是一種特殊性質(zhì)的物質(zhì)，介于導體和絕緣體之間，二極管便是一種半導體，最明顯的特征就是單向導電性。在最初的20世紀中期，二極管就已經(jīng)問世也作為了指示燈應用于收音機等電器中。為了更深的開發(fā)其他特性以及巨大的市場需求，科學家不斷研究分析，逐步完善。所以，光電產(chǎn)業(yè)列入21世紀極具科學研究并促進經(jīng)濟提產(chǎn)業(yè)升的隊列中。液晶、發(fā)光二極管顯示屏LED、激光等產(chǎn)業(yè)均有體現(xiàn)。從上個世紀五十年代演變到如今，此項科技已取得了日見成效的突破。因為各個國家的研究方向突破點不一，光電檢測技術工藝的發(fā)展方向也多樣化并極具特征。正因如此，許多機構也在開發(fā)研究各種合適的設備，在國內(nèi)，從1986年863計劃至今，已有30多年的發(fā)展歷史，通過科研人員不斷努力，在材料、器件、工藝和應用等方面都有較好的發(fā)展[3]，其中屈梁生院士提出了一種差分振子檢測任意頻率正弦信號的方法并已成功運用于機械故障的信號采集和檢測系統(tǒng)中[4]?，F(xiàn)如今發(fā)展相對較完善的有無損探測技術，不同于傳統(tǒng)物理化學分析方法，主要運用光學、電學、聲學等在不破壞樣品前提下對樣品進行分析，既探測了有效信息又保留了完整性。使得分析結果更加精確，對于研究更進一步完善。新研制的防擾動檢測裝置，通過完善紅外發(fā)射管基本指標等最終極大程度減小了電氣聲源影響。在大型機電設備、工廠實際應用等實踐下表明其可靠性和抗干擾性有著極大的提高。光電檢測技術的發(fā)展經(jīng)過無數(shù)的科研人員共同攻克，可謂逐漸成熟，并發(fā)展出納米、亞納米高精度的光電檢測新技術。小型、快速的微型光、機、電檢測系統(tǒng)在各個領域應用越來越廣泛，非接觸、在線測量等特點基本替代原始的接觸式、相對緩慢的技術。并向微空間三維測量技術和大空間三維測量技術方向發(fā)展[5]，封閉工作狀態(tài)下光電檢測系統(tǒng)，達到檢測光電量與控制同步結合。在科技不斷飛速發(fā)展下，光電檢測技術將向著智能化、數(shù)字化、多元化、微型化、自動化等眾多方向全面發(fā)展，而智能光電檢測系統(tǒng)為當前最主要的研究方向之一，集成了光學采集、光學變換、光電轉換、電路調(diào)理、外圍接口以及信息輸出等技術，在強化人工智能系統(tǒng)的幫助下，提高了數(shù)值處理和分析效率。所以對光電檢測技術的相關研究也一直投入更多的精力。在此基礎上，將二極管與光電檢測技術相結合以此呈現(xiàn)出更現(xiàn)代化的科技也是發(fā)展的方向。由于硅光二極管的種種優(yōu)良特性而被廣泛應用于光電檢測電路中，尤其在激光通訊測量，當前對二極管光電檢測整體所帶有的電流、噪聲等影響因素已進行大量的推算分析，也對電路的設計結合多種形式并優(yōu)化。第2章特性分析2.1線性響應分析在日常的光電檢測作業(yè)中，具備優(yōu)良的輸出線性通常是對光敏元件的一個要求。而硅光二極管的特性相對優(yōu)良，用于激光測量功率時，下限可達到1×10?8W，2.1.1基本結構和工作原理光電二極管作為光電變換裝置，并不用于整流裝置中。其中PIN型，在電子型半導體和空穴型半導體組成的耗盡層，能夠有一個耗盡深度大而電容小的狀態(tài)，更好的工作在反向偏壓狀態(tài)?；驹硎侨肷涔鈴腜側進入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的電子-空穴對在內(nèi)建電場作用下分別向左右兩側運動，產(chǎn)生光電流[7]。在二極管受光輻射后會產(chǎn)生光電流IP、暗電流Id、噪聲電流In，暗電流則會影響二極管的探測靈敏度，并且二極管應用時所加偏壓越高、結面積越大均會導致暗電流增大，Rs是串聯(lián)電阻，Cd是結電容，偏壓越大，Rs、Cd圖2.1硅光二極管等效電路圖2.1.2線性響應和電阻關系在光電檢測中二極管測量的一般為穩(wěn)定的光信號或低速脈沖信號，C1、Cd影響可以忽略不計，通過等效二極管Id=I0:光電二極管反向飽和電流、q：電子電量、k：波爾茲曼常數(shù)、Ud：加在硅光二極管上的電壓、A作為常數(shù)，對硅材料而言，A≈2，=KT/2，稱為熱電壓，流過負載上的電流為IL=流過負載上的電流受硅光二極管結構分流及自身阻值影響，受光輻射后，輸出的負載電流呈指數(shù)關系，并非線性關系，但要使=0，有：IL所以，如果使得暗電流I0有極小值，串聯(lián)等效電阻Rs相對小，Rd比較大的硅光二極管，然而其結面積較小，進而所得光電流IL的值通常情況下僅有幾十到幾百納安，進而一般可以保證ILRS遠遠小于AVT因此，硅光二極管進行光電檢測時，為提高輸出端線性度，要滿足在輸出短路狀態(tài)下進行。二極管的參數(shù)選擇盡量Rs小、I0小2.1.3分析測量二極管有兩種工作模式：光伏模式（零偏置）和光導模式（反向偏置）光導模式：展現(xiàn)在此模式狀態(tài)下，存在有外界的偏壓施加，檢測到的電流表示裝置收到的照射強度，輸出光功率和輸出電流成正相關關系。偏置電壓世外加使耗盡區(qū)基寬明顯提高，靈敏度增高，結電容降低，響應度漸近成一條直線，在以上描述狀態(tài)下很容易產(chǎn)生極高的暗電流，此時挑選適合的光電二極管就能夠進行調(diào)整。光伏模式：零偏置，電流流向基本被固定，轉化為一個電壓，正是由于光伏效應，因為這種狀態(tài)下所持有的暗電流極小。故選擇光伏模式[9]。暗電流：暗電流是有偏壓時的漏電流，存在于二極管內(nèi)的微小反向電流，且與溫度升高成g正比，也是硅光二極管最重要的參數(shù)之一，決定了能被檢測到的最小光功率，其他參數(shù)如動態(tài)內(nèi)阻和噪聲電流等都與暗電流有直接的關系。據(jù)查閱相關資料，PIN型二極管在十五伏電壓反向狀態(tài)下，暗電流低于十納安。光電流：主要受光照強度的影響，關系式：，E為光照強度，V=1±0.05一般情況下這個值能跟光照強度的上升導致間接提高，光照條件越高越好，和光電流成正比。2.2噪聲特性分析對于信號而言，噪聲干擾會影響系統(tǒng)誤差增大，而噪聲是一種隨機信號，不能用常規(guī)值來確定其大小，是由振幅隨機和相位隨機的頻率分量組成。實驗中最熟悉的是散粒噪聲、熱噪聲等，下面做簡單的概述。圖2.2硅光二極管檢測電路等效模型2.2.1散粒噪聲除了電阻中自由電子熱運動所導致的噪聲外，載流子流過位壘時也會發(fā)生，散粒噪聲則是由PN結中隨機電流產(chǎn)生，是PN結載流子流動的隨機變化而引發(fā)導致的噪聲，與頻率無關，屬于白噪聲。在二極管反向漏電嚴重的狀態(tài)下，會導致較大的散粒噪聲，設是管子工作的頻帶寬度，Is≈Ip為通過PN結的電流，q為電子電荷，則Ins可表示為：Ins2.2.2熱噪聲及信噪比熱噪聲普遍存在于電阻性器件，代表最小噪聲水平，處于絕對零度以上的導體中，自由電子做著無規(guī)則熱運動，方向、速度均隨機。逐漸形成無規(guī)則電流，且隨時間增長隨機變化，成為熱噪聲，由于約翰遜1928年首次發(fā)現(xiàn)，也稱為約翰遜噪聲。熱噪聲所產(chǎn)生的電流值如下[10]：Irn則可得知總噪聲電流為：In?f=圖2.3中，En為運算放大器輸入端的等效電壓噪聲，IEn=(eEn，In一個表示電壓聲源干擾密度的輸入值，一個表示電流聲源干擾密度的輸入值。用VVnf=則總等效噪聲VnVnV0=ISNR=V0因此，為了提高輸出端信噪比，需：（1）確保使用并聯(lián)分流電阻Rd較大，同時電流輸出端I相對條件下高（C（2）選擇輸入端電壓、電流噪聲密度均較小的；（3）反饋回路的反饋電阻、電容不影響正常工作應盡可能較大[14]。

第3章檢測電路的設計3.1基本設計要求檢測電路的應用設計在基礎上要依據(jù)所測光源的性質(zhì)、強弱、噪聲等條件來確定電路基本形式和相關的具體參數(shù)，確保在最理想的工作狀態(tài)下完成對整體光電系統(tǒng)的檢測。靈敏的光電轉換能力將光照持有的信號轉變成對應的電信號，并且擁有高能力互換，才是一個實現(xiàn)光電檢測裝置的先決要素?？焖俚膭討B(tài)響應能力伴隨系統(tǒng)整體設計的不斷提高，對各個環(huán)節(jié)動態(tài)響應方面的檢測也要有所提升。光信號測量應用應達到在實驗相關頻率隨機性或在瞬間變化的信號的迅速捕捉反饋方面中，信號通道所表現(xiàn)出來的一系列要求。最佳的信號檢測能力最重要的是指相關檢測電路中有用信號在輸出信號中所占的比例多少，一般情況下選擇功率以及信噪比等參數(shù)進行表征，簡而言之是電路應擁有檢測可靠必不可少的最小信號檢測功率或信噪比。長時間工作下的可靠、穩(wěn)定首先保證工作的可靠，尤其在一些特殊場合，對系統(tǒng)也是一個較好的驗證，保證穩(wěn)定工作是較好測量的前提。各方面均穩(wěn)定運行方可利于后續(xù)的研究與進展。3.2檢測系統(tǒng)基本構成作為一個完整的檢測系統(tǒng)，其基本結構由光源、被檢測對象、光信號匹配處理、光電轉換、電信號放大、信號處理、微機、控制系統(tǒng)、顯示等模塊構成[15]。圖3.1光電檢測系統(tǒng)基本組成光照來源：是檢測系統(tǒng)中最基本的量，對光源的來源并不做很嚴格的要求，如激光器件，聚光燈，LED燈，手電筒等。實驗待測量參數(shù)：當光源照射在檢測裝置上，憑借兩種介質(zhì)在傳播方向偏轉、反彈等現(xiàn)象，進而呈現(xiàn)待測量的光源參數(shù)。對信號進一步加工：使實驗檢測到的物理量與檢測光電裝置等進行相關適配，這就要求把亮暗、光譜等信息做進一步的優(yōu)化。光電轉換：簡而言之就是將通過測量得來的光源信號經(jīng)過器件內(nèi)部轉變，變?yōu)閷嶒炑芯克璧碾娦盘?。這一步驟是整個實驗中的關鍵操作，涉及到全體裝置的響應反饋、精確度等一系列相關響應。所測參數(shù)放大：此個環(huán)節(jié)通過電子線路連接。光電傳感器可以將輸出的微弱電信號進行一系列放大、數(shù)電/模電、模電/數(shù)電、運算等處理。但光源采集、光信號處理、光電轉換的等操作整體要保持一致，保證各個環(huán)節(jié)的匹配。微機和控制系統(tǒng)：最后將處理好的信號直接傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，可通過顯示器顯示出各種相關數(shù)據(jù)以便查驗和改正。3.3器件及運放芯片選擇經(jīng)上文分析，選擇用光電探測系列DET36A硅光探測器，搭配高精度、低漂移、性能穩(wěn)定的UA741運算放大芯片來設計微弱光光電檢測電路。1.硅光探測器：可通過其內(nèi)部密封的PIN硅光二極管有效面接受光源照射并實現(xiàn)光電轉換。經(jīng)查閱資料，其光譜響應范圍在350~1000nm，有效感光面積13mm2（3.6mmX3.6mm），暗電流0.35nA，分流電阻Rd＞10MΩ，串聯(lián)等效電阻Rs＜50Ω，結電容Cd為40pF，響應度為0.65A/W。當輻射光源打在硅光二極管裝置上，當符合光子能量大于等于能隙條件時，會使PN2.UA741通用放大器：此款運行極其普遍，分兩列直接插入式八腳或者圓筒封裝。圖3.2UA741放大器輸出入腳位圖它內(nèi)部構造涵蓋雙獨立，增益高運算放大器，很好的應用在較寬的獨立電源中（同樣可運行于雙源狀態(tài)）有99分貝、1兆赫茲的增壓和寬頻。是一種美國通用單位設計的雙集成電路，融合了靠空穴流動運送電流的場效應管及壓值大晶體管的優(yōu)勢。壓值可達正負二到正負十八伏。效率變換九伏，差分壓值達正負30V，范圍內(nèi)功率損耗達五百毫瓦。引腳一，五做歸零調(diào)制端口，引腳二，三做正反輸入接口，引腳四通地，引腳六是輸出，引腳七做通電接口，八閑置引腳。放大器作為線路反饋裝置，轉換倍數(shù)通過外部器件調(diào)節(jié)，一般情況，理想狀態(tài)為無限放大，現(xiàn)實工作中參數(shù)也很高，所以增益輸出與差動輸入相比近乎為零。3.4光電轉換、放大電路圖3.4PIN基本放大電路圖3.5PIN基本放大電路噪聲模型輸出SIGNAL-NOISERATIO和響應阻值的大小成正相關，可以改善RF相應的參數(shù)來使信噪比有效的提升，進而可使光電流獲得較好的增益。安裝中，RF要使用聲源干擾、溫度指標小的金屬膜電阻。此外，相關參數(shù)要根據(jù)顯示給定的區(qū)間值來調(diào)節(jié)。因為后面還需要連接一些信號處理電路，所以應根據(jù)光電流Isc的最大值來確定Rf的大小。圖3.6一般前置放大電路3.5單片機及其應用1.單片機的應用可謂是幾乎覆蓋全方面商業(yè)區(qū)，因特爾科研平臺研發(fā)了一款使用簡單，價格合理，各方面功能針對一般情況滿足的芯片。此款型號的芯片是有四k字節(jié)能夠進行計算機語言匯制的閃光擦除只讀儲存裝置，是場效應管八位處理器件，融合愛特梅爾高集中度方便保存的科技打造和工業(yè)生產(chǎn)的其他類型的語句程序及引腳相匹配。圖3.7AT89C51單片機結合平面圖進行構造解析，特性包括與其他型號的高匹配，參數(shù)存儲時間較長，可在0到24赫茲區(qū)間工作，32輸入輸出接線等。每個引腳都有各自的功能，像恢復初始狀態(tài)、中斷零中斷一、鎖定存放、震動裝置、時間顯示等模塊。LCD屏顯裝置在此次實驗中選取的是LM016L型號產(chǎn)品，可完成數(shù)字符號偏移，閃光效果，可和單片機進行兩種傳送方式，一般情況下有十四或十六個出腳接線。它的優(yōu)點在于功率損耗低，電磁干擾為零，自身顯示范圍大；但也存在相對劣勢為反饋周期長，造價不均，后期調(diào)整維護復雜，本身發(fā)光二極管用于照明作用，本次實驗針對光源亮暗進行檢測，所以最終選擇合適的器件進行后續(xù)開展。圖3.8LM016L顯示屏第4章仿真結果分析4.1設計原理圖圖4.1光電檢測設計原理圖本課題運用proteus進行仿真，通過上面一系列分析及器件選擇，仿真原理圖設計最終確定上圖。通過硅光二極管進行照射光源的捕捉攝入，再經(jīng)過UA741運算放大器的內(nèi)部運轉、放大等步驟加工處理，最后再通過與單片機和顯示屏的連接，得到根據(jù)入射光源的強弱或距離等不同影響因素相對應的電壓值。4.2運行分析考慮到本系統(tǒng)主要做光源檢測，所以將光源距離分為10檔，分別代表測試器件離照射光源的距離，最高轉換值設置5伏特，最低轉換值根據(jù)各元件參數(shù)值基本處于0.03-0.05附近。首先通過ADC0832實現(xiàn)所捕捉的模擬信號到數(shù)字信號的轉變，再將數(shù)據(jù)線，時鐘線和片選引腳與單片機相連接，因為要通過顯示屏來顯示具體實際數(shù)值，需要單片機連接一個顯示屏，就需要用到排阻來當上拉電阻，實現(xiàn)增大驅動電流的功效。通過硅光探測器件的捕捉，做內(nèi)部模擬-數(shù)字轉換、將加工處理完的電信號再進一步由UA741進行信號的放大處理，最終在顯示屏上顯示出經(jīng)過轉化后的確切數(shù)值。先點擊左下角的三角進行開始，此時照射光源距離探測器距離最遠，幾乎受不到一點光照的情況下顯示0.05伏特；再近一些，得到0.25伏特；隨著再接近，得到0.47伏特；0.84伏特、1.68、2.50、3.35、4.17、4.54、4.98。整體設計為0-5V，針對不同位置，電壓強度也不同，很好的反應了運用硅光二極管對光進行檢測的數(shù)據(jù)。圖4.2遠距離電壓顯示值圖4.3中距離顯示電壓值圖4.4近距離顯示電壓值結論本課題是以光敏二極管及運放芯片為核心，實現(xiàn)在微弱光源環(huán)境下的檢測，在整個設計過程中，分為四個部分，根據(jù)查閱資料、程序設計、原理圖繪制、仿真實驗等對整體加以完善。本課題針對硅光二極管光電檢測的設計，主要進行下面工作內(nèi)容：通過顯示屏實時顯示光電轉換的電壓值。設置轉換值為0-5V，當改變各元件參數(shù)值時，相對應的轉換電壓也會隨之改變，如把相關電阻、電容值增大10倍，轉換電壓值相對增大；反之，如果均減小，電壓值也減小。3.整體仿真過程滿足基本的光電檢測模擬，實現(xiàn)了一般情況下基本實驗測試。實際精度不是很高，有一定的檢測誤差，將各參數(shù)調(diào)整，輸出值也會隨之上下有細微變化。參考文獻[1]袁明輝,郭天太.光電檢測技術的發(fā)展趨勢及應用前景[J].應用科技,2009.77.[2]黃敏敏,朱興龍.硅光電探測器的發(fā)展