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文檔簡介

1、光電轉換及信號處理電路設計與CCD等探測器不同,PIN光電二極管對于探測目標輸出信號是一個電流信號,而且在距離探測目標較遠時照射到探測面的光信號很微弱,在預定電壓偏置下輸出電流會比較小,因而可以概括PIN的輸出信號為一個微弱電流信號,對于PIN的輸出信號處理,是一個微弱信號處理的過程。數(shù)據(jù)采集模塊CY7C68013圖1光電轉換及信號處理模塊整體設計示意圖通常情況下,電流信號的采集和處理都是比較困難的,故首先需要對PIN的信號進行電流到電壓的轉化。微弱電流信號轉化而來的電壓信號一般也是微弱信號,而且傳輸線耦合進去的交流噪聲有可能會淹沒目標信號,故為了提高信噪比,需要在采集之前對信號進行前置放大。

2、由于被測信號也是可見光信號,在進行光電探測時很容易受到雜散光和PIN自身暗電流的影響,導致噪聲信號和目標信號一同被放大,在后續(xù)電路中不易消除,為了減少雜散光和PIN暗電流帶來的噪聲、背景噪聲和元器件噪聲,本光電信號處理電路設計了一個參考PIN光電轉換電路,用來接收雜散光和背景噪聲,參考PIN光電轉換電路與探測信號PIN光電轉換電路及的參數(shù)一致,前置放大電路的參數(shù)也一樣,但是在實驗過程中由于與目標光信號之間的光路被人為完全遮擋,故只能接收到雜散光信號和背景噪聲信號。在后續(xù)的差分放大電路中通過信號同向相減,把系統(tǒng)噪聲和背景噪聲去除,保證了最終采集信號具有較高的信噪比。在最后的濾波電路設計過程中,考

3、慮到被測目標光信號的調制頻率不會超過200KHZ,而空氣和電路中存在著大量的高頻噪聲,為了保證即將進入數(shù)據(jù)采集模塊的信號有較高的信噪比,需要濾除掉高頻噪聲,于是需要根據(jù)被測信號頻率的不同設計一款低通濾波器或者帶通濾波器。綜上所述,本光電轉換和信號處理模塊由光電轉換電路、前置放大電路、差分放大電路和濾波電路四個部分組成,模塊整體示意圖如圖4-1所示。1光電轉換電路設計光電二極管的光探測方式有兩種結構:一是光電導模式,在這種模式下,需給光電二極管加反向偏置電壓,存在暗電流Id,由此會產(chǎn)生較大的噪聲電流,有非線性,通常應用在高速場合;二是光電壓模式,在這種模式下,光電二極管處于零偏狀態(tài),不存在暗電流

4、Id,有較低的噪聲,線性好,噪聲低(主要是熱噪聲),適合于比較精確的測量31。在微弱信號檢測中比較常用的是光電壓模式,具體光電檢測電路圖如圖2所示。對圖2光電壓模式PIN光電轉換電路光電二極管工作于短路狀態(tài),極大地降低了暗電流的影響,從而使光電二極管得到最大SNR,進而使后續(xù)放大電路僅放大與光強成正比的電流??紤]到對目標光信號的探測頻率不同,本文采用了兩款響應率不同PIN光電二極管,用于探測低頻光信號的PIN選擇的是西門子(SIEMENS)公司的BPX65硅光敏二極管,用于探測高頻光信號的高速PIN選擇的是日本濱松的S5973硅光敏二極管。BPX65具有頻率響應范圍廣,暗電流小,高靈敏度等特點

5、,最高工作溫度可達125°,其主要特性參數(shù)如下所示:(1) 光譜響應范圍為350nmllOOnm,峰值波長850nm,適合白光測量;(2) 暗電流IRW5nA;(3) 光譜靈敏度(S0.55A/W;(4) 光敏面接收半角(Halfangle):±45°;(5) 受光面積為1mm2,遠小于傳感器與探測目標的距離;(6)脈沖上升、下降時間:12ns;BPX65的頻譜響應曲線如圖3所示:400廠/>t1n/RelativeSpectralSensitivity0HFD1119&0080&1000nm1200圖3BPX65光敏二極管頻譜響應曲線32S

6、5973具有咼響應頻率,咼可靠性,暗電流小,咼靈敏度等特點,適合進行白光探測和激光探測,其主要特性參數(shù)如下所示33:(1) 光譜響應范圍為320nm1000nm,峰值波長760nm,;(2) 響應頻率:1GHz(S5973),截止頻率1.5GHz;(3) 暗電流IRW0.1nA;(4) 光譜靈敏度(S>0.3A/W;(5) 受光面積為0.12mm2,遠小于傳感器與探測目標的距離;S597X系列的光敏二極管頻譜響應曲線如圖4所示:WAVELENGTH(Pm)于盧旦U_ALUSN山g01OHCI圖4S597X系列光敏二極管頻譜響應曲線33由此可見BPX65PIN光敏二極管更適合做低速光信號測

7、量,而濱松公司生產(chǎn)的S5973PIN硅光敏二極管可利用其高光譜響應頻率用作高速光電信號測量;二者的關鍵參數(shù)對比如表1所示:表1BPX65和S5973關鍵參數(shù)對比參數(shù)BPX65范圍S5973范圍光譜響應范圍(nm)350-1100850光譜峰值波長(nm)320-1000760光譜響應頻率W50MHzW1.5GHz暗電流W5nAW0.1nA光譜靈敏度0.55A/W0.3A/W受光面積1mm20.12mm22前置放大電路設計如圖5為光電轉換和前置放大電路設計,其中外層反饋為短路形式的基本放大電路,可以提高光電探測器的檢測靈敏度和測量范圍,其中:VO=1)1式中f為信號頻率,fH=1,R1為反饋電阻

8、,可知在直流或者低頻范圍H2兀RC111內,即ffh時,其變換系數(shù)為反饋電阻R1,所以V°=-R*T,其中T為光電流,而當信號頻率逐漸提高時,旁路電容q的作用也就開始體現(xiàn)出來了,也即當信11號頻率f>1時,信號增益逐漸減小,稱丄為轉折頻率,同時可見旁2兀RC2兀RC1111路電容有C1減小高頻噪聲的作用34。Ic1C2|R4圖5光電轉換和前置放大電路設計由街和A2組成復合放大電路,也具有減小噪聲帶寬,提高系統(tǒng)信噪比的功能。因為由R3,r4,C2構成基本反饋電路基礎上的附加內反饋,在直流和信號光電轉換及信號處理電路設計頻率比較低的情況下,該附加內反饋由C2斷開,此時整個前置放大器

9、的開環(huán)增益是兩個放大器的開環(huán)增益之積A*A2。而在交流信號的頻率f>>12兀RC42的情況下,整個前置放大器的開環(huán)增益變成為A*r4/r3,通過合理設置R4/R3的比值,使A1*R4/R3A,可以明顯減小噪聲的帶寬,減小噪聲的影響,從而提高系統(tǒng)的信噪比。當不滿足f>>f0的要求時,即該附加內反饋僅使高頻噪聲的帶寬變窄,而信號帶寬不變,進而提高系統(tǒng)的信噪比。另外使用R2可以補償因R1過大而引入的誤差,一般情況下取R2=R1,電容Cp可以用來消除R2上面的雜散噪聲35。3差分放大電路設計如圖6為常用的差分放大電路結構,其中運放選擇為超低失調的運算放大器OP07,當僅考慮反相

10、輸入端時,其輸出電壓為:RV二(2)OUT1RS13當僅考慮同相輸入端時,其輸出電壓為:RR+RV二ix3卜V(3)0UT2R+RRS2123所以當R3=R2,R1=Rf時,總輸出電壓為公式(4-4)所示:RR|RRRV二V+V二1x二4V-1V二"V-V)(4)OUTOUT1OUT2R+RRS2RS1RS2S112333即運算放大器實現(xiàn)了對兩個輸入電壓差的放大。4低通濾波電路設計本設計選擇壓控型二階低通濾波器如圖7所示,根據(jù)實際測量需要取得其中心頻率f0,品質因數(shù)Q,則當濾波電容C=0.1uF時(超過luF大電容使用不方便),11由于f0=,所以可得知R的大小,而又因Q=,易得到A

11、VP,又知02兀RC3-AVPVP道AVP=1+Rf/R,且根據(jù)運放兩輸入端的電阻平衡性知2R=R/所以可得Rf和R。綜上所述,光電轉換與信號處理電路各部分已經(jīng)介紹完畢,圖8展示的是本模塊在Protel99中的原理圖。5運算放大電路參數(shù)分析本光電轉換和信號處理模塊設計中采用了多個運算放大器,運算放大器在工作時,由于自身或外界因素的影響必然會引入一定的噪聲,甚至一些參數(shù)將影響到運放的工作范圍和頻率特性,所以在此有必要對運算放大器的參數(shù)進行分析。5.1運算放大器最高不失真頻率計算對于一運算放大器,當輸入一正弦波v二vsin(3t)時,則在理想情況下的輸iin出應為v二vsin(3t),其中,3二2

12、nf,將輸出v對時間求導可得,omodvmaxodto=3vCOS(3t),可知當cos(3t)=±1時,輸出電壓變化最劇烈,即dtm二3V,所以當3v<SR時通過運算放大器的波形不失真(SR為運mm算放大器參數(shù)),所以通過運放的最高不失真頻率應為:f<-36。max2nvm5.2輸入失調電壓和失調電流的影響VVO圖9運算放大器信號模型如圖9所示,Vos表示輸入失調電壓,IB1,IB2分別為輸入偏置電流(使輸入端外接的電阻兩端分別產(chǎn)生VB1,VB2的直流電壓),此時運算放大器的輸出電壓為:RIRV=匸2工1(V-V+V)ORB1B2os15)RR因為V二-Rl,V二RI(

13、其中R二R/R二R1R2),且運放的失調B1B1B23B212R+R12電流為I=I-1B1B2,所以:os光電轉換及信號處理電路設計V二R1+R2(r-R)l土RI+V(6)OR3B13osos1又因為IB1比Ios要大的多,所以為了減小輸出失調電壓,應使R3二R二詐卜,此時:127)R+Rr1R+RV2LRI+V二RI+i2VOR3osos2osRos11然后可以再通過調節(jié)可變電阻RP1,即可以使輸出失調電壓為零。在實際電路中為了減小輸入失調和偏置電流的影響,除了要滿足RRR二R二外,還要滿足輸入、輸出阻抗的限制;此外還有對于輸入失調3R+R12電流的限制,即RI<£(&#

14、163;為由于使用目的,溫度變化范圍決定的因數(shù))。2io另外由上述推倒過程可以看出,當R3=0時,輸出電壓為:R+RR+RRROS2B11V二R2R1(V-V+V)=R21(-RI+V)=(1+£)V-RI(8)osORVB1B2osRB111RR而當R二R=時,輸出電壓為:3R+R12+R17R2VosV二R1+R2rI+V1二RIOR3osos2osR11由此可以看出由于R3的引入而使輸出電壓產(chǎn)生的改變?yōu)閁二R(I-1),所以運放中反饋電阻R2的值越大,運放的輸入失調電流與02OSB12偏置電流的差越大,電阻R3的作用也越大。一般第一級為晶體管的OP放大器在IB大于IOS的10倍時,或者對于第一級為FET的OP放大器在IB大于IOS的5倍時R3的效果比較明顯39。對于運放OP07CP,它的輸入偏置電流IB=+/-1.8nA,輸入失調電流IOS=0.8nA,所以在電路中當反饋電阻R2不是太大時可以省去電阻R3,一方面減少成本,另一方面也增加了電路的可靠性。6運算

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