光電檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書光電二極管信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目：光電二極管信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）：年級專業(yè)：學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）： 基層教學(xué)單位: 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計(jì)題目光電二極管信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)光電二極管的微弱電流檢測電路及其噪聲濾波電路。自選一款光電二極管，根據(jù)其量程，使調(diào)理電路輸出信號幅值為02.5v設(shè)計(jì)要求1：完成題目的理論設(shè)計(jì)模型；2：完成電路的multisim仿真；工作量1：完成一份設(shè)計(jì)說明書(其中包括理論設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果)2：提交一份電路原理圖；工作計(jì)劃周一，查閱資料；周二到周四，理論設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真；周五，撰寫設(shè)計(jì)說明

2、書；參考資料1：基于運(yùn)算放大器和集成電路的電路設(shè)計(jì)2：模擬電子技術(shù)3：電路理論 4：數(shù)字電子技術(shù)指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。年 月 日 目錄第1章 摘要4第2章 引言4第3章 課題解析4第4章 設(shè)計(jì)思想及步驟54.1總體設(shè)計(jì)54.2分部設(shè)計(jì)54.2.1光電轉(zhuǎn)化器64.2.2前置放大電路84.2.3低通濾波電路13第5章 電路圖仿真13 5.1元器件接線圖13 5.2波形圖14心得體會(huì)15參考文獻(xiàn)15第1章 摘要光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對光學(xué)信號進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制

3、、計(jì)算和顯示。光電檢測技術(shù)從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電探測器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理，以達(dá)到電信號輸出的目的。然后采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以便于進(jìn)行相應(yīng)的電路改進(jìn)，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號檢測的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號，同時(shí)提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比。 第2章 引言光電技術(shù)是將傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起的一門高新技術(shù),是獲取光信息或借助于光

4、提取其它信息(如力、溫度、聲音、電流、生物) 的重要手段。采用光電檢測方法就是把調(diào)制到光載波上的有用信號解調(diào)出來,實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。因光纖末端輸出的光信號通常是很微弱的,各種噪聲的干擾直接影響有用信號的測量精度,這就要求光檢測器在所用光源的發(fā)射波長范圍內(nèi)具有高響度小的附加噪聲、快的響應(yīng)速率且具有能處理所需要的數(shù)據(jù)的足夠帶寬。另外，與探測器相連的前置放大電路也應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理,以獲得大的動(dòng)態(tài)范圍和高的信噪比。本文基于這一思想在實(shí)驗(yàn)過程中總結(jié)設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的前置放大電路。第3章 課題解析要求：設(shè)計(jì)光電二極管的微弱電流檢測電路及其噪聲濾波電路。自選一款光電二極管，根據(jù)其量程，使調(diào)理電路輸出信號幅

5、值為02.5v。解析：根據(jù)以往學(xué)習(xí)的測控電路知識和模電等知識，光電二極管的微弱電流檢測電路及其噪聲濾波電路設(shè)計(jì)總體把握就是將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成可以識別清楚的較大電壓變化，利于后續(xù)工作分析。首先，處理的第一個(gè)問題就是如何將光照轉(zhuǎn)換成電流。根據(jù)光電二極管型號不同，選取合適元件可以滿足條件。其次，就是將小電流放大。想法是添加放大電路，計(jì)算出題目要求值和測量值之間的關(guān)系，得出增益。然而隨之問題就來了。實(shí)際實(shí)施中的困難在于放大電路電阻等噪聲的干擾，其直接微小來源將最終導(dǎo)致電壓的波動(dòng)，使測量結(jié)果誤差很大，因此噪聲減小是必須考慮的一個(gè)課題。于是得到下一個(gè)想法：濾波。第三，考慮到上述情況，噪聲頻率往往比較高而

6、信號頻率相較比較低，于是選擇低通濾波器，使低頻信號通過，而高頻噪聲濾除。綜上所述，設(shè)計(jì)任務(wù)一共分為三部分：轉(zhuǎn)換、放大、濾波。各種器件型號選擇以低噪聲、抗干擾為準(zhǔn)。第4章 設(shè)計(jì)思想及步驟4.1 總體設(shè)計(jì)光電探測器所接收到的信號非常微弱，輸出的信號往往被深埋在噪聲之中。因此，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉。要對這樣的微弱信號進(jìn)行處理并將微弱信號放大到后續(xù)處理，需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號器要求的電壓幅度。因此，大體上將光電檢測濾波電路分為以下三個(gè)部分，各部分如下： 光電檢測電路模塊結(jié)構(gòu)圖1.光電轉(zhuǎn)換器 功能：將照射的光能轉(zhuǎn)換成

7、能檢測的微弱變化電流信號。2.前置放大電路 功能：將微弱的電流信號放大到足夠識別的電壓信號，使之滿足要求的的0到2.5v電壓信號。3.濾波電路 功能：濾除前部分轉(zhuǎn)換電路的噪聲，使測量結(jié)果滿足條件。4.2 分部設(shè)計(jì)4.2.1光電轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體材料對光的吸收遵從如下指數(shù)規(guī)律: (1)(1)式中,是當(dāng)光的波長為時(shí)的吸收系數(shù);是入射于光探測器上的光功率;而是在距離x中吸收的光功率。如果耗盡區(qū)的寬度為w ,并考慮到光電二極管的入射面的反射率為rf,那么,由于光功率的吸收而產(chǎn)生的平均光電流由下式給出： (2)光照下,光電二極管 pn 結(jié)的伏安特性為: (3)上式中, 為p n 結(jié)的反向飽和電流,為包括外電壓

8、和光電壓的實(shí)際結(jié)電壓;為玻爾茲曼常數(shù),為工作溫度。由式 (3) 可得以為參量的伏安特性曲線 ： 光電二極管伏安特性曲線從圖中可以看出光電二極管的反向輸出電流與照度成正比。在應(yīng)用時(shí),要求光伏探測器工作在線性范圍內(nèi),器件要以近似以短路方式工作,其輸出電流為： (4)這時(shí)，只要滿足（4）式前部分遠(yuǎn)小于,那么器件將趨于理想短路條件有： (5)其中為量子效率，q為電荷量。得短路電流與入射光功率成正比，并且不受工作溫度的影響。光電二極管型號參數(shù)表2du（a）型、方型光通有效面積1mm*1.3mm參數(shù)中心暗電流環(huán)電流光電流靈敏度響應(yīng)時(shí)間結(jié)電容正向壓降單位 條件型號在1000lx照度下入射光波長測試頻率正向電

9、流2du1a0.136 0.423102du2a0.10.33106 0.423102du3a0.31.010306 0.42310根據(jù)情況選取型號為2du1a的光電二極管，面積為在1000lx光照下光電流為6，靈敏度,響應(yīng)時(shí)間s ,結(jié)電容。4.2.2前置放大電路圖中光電二極管對入射光響應(yīng)電流是is,隨后，運(yùn)算放大器將這個(gè)電流轉(zhuǎn)化成電壓vo。信號增益as=vo/is 和噪聲增益 an=eno/eni。上并聯(lián)一個(gè)電容，易得電路截止頻率p= a a 選取低噪op放大器ad797a,帶入實(shí)際光電二極管電流范圍和輸出電壓范圍02.5v，計(jì)算得放大器信號增益為=417計(jì)算噪聲轉(zhuǎn)折頻率（見下圖）由p=得

10、放大電路噪聲分析光電檢測系統(tǒng)的噪聲來自兩個(gè)方面：系統(tǒng)外部干擾噪聲和內(nèi)部噪聲，主要分析內(nèi)部熱噪聲熱噪聲由導(dǎo)電材料中載流子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)在材料兩端產(chǎn)生隨機(jī)漲落的電壓或電流稱熱噪聲。電壓均方值取決于材料的溫度、電阻及噪聲等效帶寬，其關(guān)系式為 (6) 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(guān)系，純電阻時(shí)，與頻率無關(guān)，則 (7)當(dāng)時(shí)，,電阻的熱噪聲電壓和熱噪聲電流的均方值分別為 (8) (9)式中：為噪聲等效帶寬。由式(8)和式(9)可以看出，和與、及有關(guān)，電阻是主要的熱噪源，在不變時(shí)，減少和的值可有效減少熱噪聲。室溫下，對于的電阻，如果電路的放大倍數(shù)為，則輸出的

11、熱噪聲電壓有效值在電路通頻帶時(shí)，為 (10) (11)散粒噪聲由光生載流子形成和流動(dòng)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 (12) (13)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(12)和式(13)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。 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(dú)立的，則總的噪聲電流的均方值為 (14) (15)當(dāng)時(shí)，經(jīng)前置放大后的噪聲電壓為 (16)若直流光電流約為6a，則光電轉(zhuǎn)換信噪比snr為4.2.

12、3 低通krc濾波器根據(jù)電路圖有： 化簡合并令得： 品質(zhì)因素: 取單位增益k=1，列出各元件值如下 于是化簡得： 取m=1，得，所以有各電阻電容取值如下：參數(shù)取值： 第5章 電路圖仿真5.1元器件接線圖5.2 波形圖心得體會(huì)從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，最困難的就是光電二極管的型號選取，折騰了好幾天但可喜的是最終都得到了解決。課設(shè)是一種歷練的過程。我現(xiàn)在的每天都在體驗(yàn)著自己勞動(dòng)后的收獲，那是汗水，更是幸福的淚水。每天的疲憊使我感到很充實(shí)?，F(xiàn)在雖然即將結(jié)束，但我心里不會(huì)忘記這一段經(jīng)歷。也明白這一切離不開老師教導(dǎo)在組員的默契配合下在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì)了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了理解，也學(xué)會(huì)了做人與