測(cè)控電路_論文

1、.電子工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 設(shè)計(jì)題目：光電二極管信號(hào)調(diào)理電路系 別：年級(jí)專業(yè)：學(xué) 號(hào)： 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）：電子工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：物理電子工程系 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)（班級(jí)）設(shè)計(jì)題目光電二極管信號(hào)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(cè)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(hào)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(shuō)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)劃參考資料1：基于運(yùn)算放大器和集成電路的電

2、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(shuō)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。 2011年 月 日 *; 目錄第1章 摘要4第2章 引言4第3章 電路設(shè)計(jì)與計(jì)算53.1總體設(shè)計(jì)5 3.2部分設(shè)計(jì)5第4章 結(jié)論與參考文獻(xiàn)13 4.1心得體會(huì)134.2參考文獻(xiàn)14第1章 摘要大多數(shù)的光電器件都需要檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的檢測(cè)變化，通常光電檢測(cè)電路由光電檢測(cè)器件，輸入電路和前置放大器組成。其中，光電檢測(cè)器件是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件，是溝通光學(xué)量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光電信號(hào)的精確檢測(cè)，前置放大及耦合電路是電信號(hào)必須要

3、經(jīng)過(guò)的重要環(huán)節(jié)。輸入電路是連接光電器件和前置放大及耦合電路的中間環(huán)節(jié)。它不僅為光電器件提供正常的電路工作條件，并且同時(shí)完成與前置放大及耦合電路的電路匹配。第2章 引言光電二極管的微弱電流檢測(cè)電路及其噪聲濾波電路設(shè)計(jì)，主要是指光電器件輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)等部分內(nèi)容。它的基本作用是為光電器件提供匹配的電路工作條件，并進(jìn)行電參量的變換，同時(shí)完成前置放大及耦合電路的電路匹配。由于不同的光電二極管擁有不同的特性和技術(shù)指標(biāo)，因此與之相配的輸入電路也各不相同，輸入電路的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)光電二極管及輸入信號(hào)的性質(zhì)、大小及光學(xué)和器件的噪聲、電平等初始條件，同時(shí)考慮輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求，最終確定電路的連接形式

4、和工作參數(shù)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(cè)方法就是把調(diào)制到光載波上的有用信號(hào)解調(diào)出來(lái),實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。因光纖末端輸出的光信號(hào)通常是很微弱的,各種噪聲的干擾直接影響有用信號(hào)的測(cè)量精度,這就要求光檢測(cè)器在所用光源的發(fā)射波長(zhǎng)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(cè)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(guò)程中總結(jié)設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的前置放大電路,這一電路

5、已被應(yīng)用于高壓光纖電流傳感器中,并取得了較理想的效果。第3章 電路設(shè)計(jì)與計(jì)算一 總體設(shè)計(jì)光電放大濾波電路總體分三部分，各部分如下：1.光電轉(zhuǎn)換部分 功能：將照射的光能轉(zhuǎn)換成能檢測(cè)的電流信號(hào)。2.前置放大部分 功能：將微弱的電流信號(hào)放大到足夠識(shí)別的電壓信號(hào)，如設(shè)計(jì)要求提出的0到2.5v電壓信號(hào)。3.濾波電路 功能：除去前部分電阻熱噪聲干擾，使測(cè)量結(jié)果精確。二 部分設(shè)計(jì)1、光電轉(zhuǎn)換部分半導(dǎo)體材料對(duì)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(zhǎng)為時(shí)的吸收系數(shù);是入射于光探測(cè)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

6、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,P IN 光電二極管 PN 結(jié)的伏安特性為: (3)(3)式中, 為P N 結(jié)的反向飽和電流,為包括外電壓和光電壓的實(shí)際結(jié)電壓;為玻爾茲曼常數(shù),為探測(cè)器的工作溫度。由式 (3) 可得以為參量的伏安特性曲線 (如圖 1)。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(cè)器工作在線性范圍內(nèi)。因此必須保證器件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,器件趨于理想短路條件（為量子效率）即短路電流與入射光功率成正比。 光電二極管型號(hào)參數(shù)表根據(jù)情況選取型號(hào)為2DU1B的光電二極管，在10

7、00lx光照下光電流20，靈敏度,響應(yīng)時(shí)間s ,結(jié)電容。光電二極管的光照特性曲線2、前置放大電路部分圖中光電二極管對(duì)入射光響應(yīng)電流是Is,隨后運(yùn)算的放大器將這個(gè)電流轉(zhuǎn)化成電壓Vo。信號(hào)增益 ： As=Vo/Is 噪聲增益 ： An=eno/eni轉(zhuǎn)折頻率： p=帶入實(shí)際光電二極管電流范圍和輸出電壓范圍，計(jì)算得放大器信號(hào)增益為 =125計(jì)算噪聲轉(zhuǎn)折頻率（見(jiàn)下圖）由p=得 127KHZ 取頻率為80KHZ 3、低通KRC濾波器部分（1）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，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，其一般關(guān)系式為 (5) 式中：

8、K為波爾茲曼常數(shù)；T為材料的絕對(duì)溫度；為光電檢測(cè)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(wú)關(guān)，則 (6)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 (7) (8)式中：為噪聲等效帶寬。由式(3)和式(4)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。如在室溫下，對(duì)于的電阻，如果電路的放大倍數(shù)為1，則輸出的熱噪聲電壓有效值在電路通頻帶時(shí)，為 (9) (10)在這種狀態(tài)下，進(jìn)行nw(或pw)級(jí)的測(cè)量將很困難。（2）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 (11) (12)式中：q為電子

9、電荷量；I為通過(guò)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(11)和式(12)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。 （3）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 (13) (14)當(dāng)時(shí)，經(jīng)前置放大后的噪聲電壓為 (15)若直流光電流約為20A，則光電轉(zhuǎn)換信噪比SNR為（4）濾波電路 化簡(jiǎn)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(jiǎn)得： 取m=1，得，所以有各電阻電容取值如下：參數(shù)取值： 4、電路組成 光電二極管信號(hào)調(diào)理電路以及參數(shù)如下圖所示第4章 結(jié)論經(jīng)仿真后，得出輸入輸出信號(hào)波形如下圖：可以看出，所設(shè)計(jì)的光電二極管信號(hào)調(diào)理電路在較小誤差范圍內(nèi)復(fù)合要求心得體會(huì) 通過(guò)該課程設(shè)計(jì)，全面系統(tǒng)的理解了光電二極管信號(hào)調(diào)理電路的一般原理和基本實(shí)現(xiàn)方法，把死板的課本知識(shí)變得生動(dòng)有趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。把學(xué)過(guò)的電子各個(gè)方面的知識(shí)強(qiáng)化，能夠把課堂上學(xué)的知識(shí)通過(guò)自己的設(shè)計(jì)表示出來(lái)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解；這次課程設(shè)計(jì)讓我基本掌握了一些軟件的使用，明白了軟件仿真對(duì)設(shè)計(jì)的重要性；這次課程設(shè)計(jì)讓我充分認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，