多檔光功率計設(shè)計

1、大大 連連 民民 族族 大大 學(xué)學(xué) 課課 程程 設(shè)設(shè) 計（論計（論 文）文）多檔光功率計設(shè)計多檔光功率計設(shè)計學(xué) 院 （系）：物理與材料工程學(xué)院 專 業(yè)：光電子技術(shù)科學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號：2012153211 指 導(dǎo) 教 師：馮志慶 完 成 日 期：2015 年 07 月 01 日 大連民族大學(xué)摘摘 要要本次設(shè)計以通用運(yùn)算放大器中的 I-V 轉(zhuǎn)換器和同相放大器為核心，通過多檔開關(guān)實現(xiàn)不同反饋電阻間的切換，從而實現(xiàn)多檔光功率計的設(shè)計。首先，我使用 Altium Designer Summer 09 軟件繪制電路原理圖與 PCB 板圖；其次，到實驗室，在馮老師的指導(dǎo)與幫助下，根據(jù)所繪電路原理

2、圖，完成使用電烙鐵點焊電路板的實驗設(shè)計，該電路板中有六個電阻、兩個 OP07 芯片、硅光電池和若干導(dǎo)線等；再其次，利用萬用表調(diào)試電路板，直至調(diào)試無誤；接著，打開光源鎢燈，利用積分球提供穩(wěn)定光，對硅光電池進(jìn)行照射，通過改變積分球的出射光功率改變光照強(qiáng)度，在不同光功率下使用萬用表分別測量電路最終的輸出電壓，記錄數(shù)據(jù)；然后，切換 I-V 轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，改變光功率計的檔位，重復(fù)上一步驟，記錄數(shù)據(jù)；而后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，繪制 P-U 曲線，并對其進(jìn)行標(biāo)定與靈敏度計算；最后，分析整體電路的輸入與輸出特性，得出本次課程設(shè)計圓滿完成的結(jié)論。關(guān)鍵詞：通用運(yùn)算放大器、多檔開關(guān)、關(guān)鍵詞：通用運(yùn)算放大器、多檔開關(guān)

3、、AltiumAltium DesignerDesigner SummerSummer 0909大連民族大學(xué)目目 錄錄一、緒論一、緒論 .11.1 設(shè)計背景.11.2 設(shè)計任務(wù).11.3 基本理論知識.11.3.1 半導(dǎo)體三極管.11.3.2 理想運(yùn)算放大器.21.3.3 同相放大器.21.3.4 反相放大器.31.3.5 I-V 轉(zhuǎn)換器.31.3.6 多檔開關(guān).41.4 其他理論知識.41.4.1 焊接.41.4.2 Altium Designer Summer 09.5二、設(shè)計方案二、設(shè)計方案 .52.1 功能設(shè)計.52.2 原理圖設(shè)計.52.3 PCB 設(shè)計.6三、硬件與設(shè)備三、硬件與設(shè)

4、備 .73.1 PCB.73.2 硅光電池.73.2.1 結(jié)構(gòu)分析.73.2.2 工作原理.83.3 鎢燈.83.4 積分球.83.5 OP07CP 芯片.93.6 其他工具.9四、實驗過程四、實驗過程 .104.1 實驗步驟.104.2 注意事項.104.3 完成情況.11大連民族大學(xué)五、數(shù)據(jù)記錄與分析五、數(shù)據(jù)記錄與分析 .115.1 數(shù)據(jù)記錄.115.2 數(shù)據(jù)分析.125.2.1 理論放大系數(shù).125.2.2 靈敏度.125.2.3 P-U 曲線（標(biāo)定曲線）.125.2.4 模擬 P-U 表.135.3 誤差分析.135.3.1 放大系數(shù)誤差分析.135.3.2 靈敏度誤差分析.13六、實

5、驗總結(jié)六、實驗總結(jié) .14七、參考文獻(xiàn)七、參考文獻(xiàn) .14多檔光功率計設(shè)計1一、一、緒論緒論1.11.1 設(shè)計背景設(shè)計背景隨著教學(xué)的深入開展，本專業(yè)光電子技術(shù)科學(xué)的學(xué)生有必要了解與掌握一些基本的實驗電路設(shè)計的技能，并能有相應(yīng)的動手實驗?zāi)芰Α１敬握n程設(shè)計以通用運(yùn)算放大器中的 I-V 轉(zhuǎn)換器和同相放大器為主，通過切換不同的反饋電阻，實現(xiàn)多檔光功率的測量。1.21.2 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)（1）使用 Altium Designer Summer 09 軟件繪制電路原理圖與 PCB；（2）根據(jù)設(shè)計電路板的功能與結(jié)構(gòu)，選取所需元件；（3）使用電烙鐵，把各個元件正確地點焊在電路板上；（4）使用萬用表調(diào)試焊接好

6、的電路板，直至無誤為止；（5）使用萬用表測量與記錄在不同光功率下的電壓值，切換反饋電阻，重復(fù)測量與記錄，最后對多檔光功率計進(jìn)行標(biāo)定，并繪制標(biāo)定曲線。1.31.3 基本理論知識基本理論知識完成該設(shè)計，需掌握以下基本理論知識。1.3.11.3.1 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管圖 1.1 半導(dǎo)體三極管三極管由兩個 PN 結(jié)組成，分為 PNP 和 NPN 兩種類型，具有電流放大作用。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；基區(qū)最薄，摻雜濃度最低；集電區(qū)面積最大。多檔光功率計設(shè)計21.3.21.3.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器圖 1.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為無窮小（近似為零） ，電壓

7、放大倍數(shù)為無窮大等。在線性區(qū)工作時有以下特點：（1） 輸入電流等于零，這種現(xiàn)象稱為“虛斷” ；（2） 差模輸入電壓等于零，這種現(xiàn)象稱為“虛短” ；（3） 2 與 3 相互跟隨變化，且二者關(guān)系為（2） ；（4） 虛地：3 接地，相當(dāng)于 2 接地（虛地）等。1.3.31.3.3 同相放大器同相放大器圖 1.3 同相放大器同相放大器的電壓信號從同相輸入端輸入，采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，具有共模抑制比要求高、輸入電阻高和輸出電阻低的特點。根據(jù)計算可得：0 =1= += 0= (1 +1)= 1 +1= 1 +1因此，同相放大器的電壓增益為 。多檔光功率計設(shè)計31.3.41.3.4 反相放大器反相放大器圖

8、 1.4 反相放大器反相放大器的電壓信號從反相輸入端輸入，采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，具有共模抑制比要求低、輸入電阻和輸出電阻較低的特點。根據(jù)計算可得： = += 01= 2 =211=2=21因此，反相放大器的電壓增益為 。1.3.51.3.5 I-VI-V 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器圖 1.5 I-V 轉(zhuǎn)換器I-V 轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換為電壓的放大器。根據(jù)計算可得：= 該電路組成的 I-V 轉(zhuǎn)換器避免了運(yùn)放輸入失調(diào)電壓、偏入偏置電路和失調(diào)電流影響帶來的積分誤差，也避免了電容的漏電流帶來的誤差，但對電阻和運(yùn)放的精度要求較高。1.3.61.3.6 多檔開關(guān)多檔開關(guān)多檔光功率計設(shè)計4圖 1.6 多檔開關(guān)多檔開關(guān)是

9、指一個可以使電路開路、使電流中斷或使其流到其他電路的電子元件，它含有一個或數(shù)個接通點，接點的“閉合” （closed）表示電子接點導(dǎo)通，允許電流流過；開關(guān)的“開路” （open）表示電子接點不導(dǎo)通形成開路，不允許電流流過。1.1.4 4 其他理論知識其他理論知識1.4.11.4.1 焊接焊接焊接，也稱作熔接、镕接，是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術(shù)。焊接的能量來源有很多種，包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等。焊接可在多種環(huán)境下進(jìn)行，如野外、水下和太空。無論在何處，焊接都可能給操作者帶來危險，所以在進(jìn)行焊接時必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。焊接通過

10、下列三種途徑達(dá)成接合的目的：（1）加熱欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷卻凝固后便接合，必要時可加入熔填物輔助；（2）單獨(dú)加熱熔點較低的焊料，無需熔化工件本身，借焊料的毛細(xì)作用連接工件（如軟釬焊、硬焊） ；（3）在相當(dāng)于或低于工件熔點的溫度下輔以高壓、疊合擠塑或振動等使兩工件間相互滲透接合（如鍛焊、固態(tài)焊接） 。本次課設(shè)使用第二種途徑進(jìn)行焊接操作。1.4.21.4.2 AltiumAltium DesignerDesigner SummerSummer 0909多檔光功率計設(shè)計5Altium Designer 是原 Protel 軟件開發(fā)商 Altium 公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系

11、統(tǒng)，主要運(yùn)行在 Windows 操作系統(tǒng)。Altium Designer 的主要功能有：（1） 原理圖設(shè)計（2） 印刷電路板設(shè)計（3） FPGA 的開發(fā)（4） 嵌入式開發(fā)（5） 3D PCB 設(shè)計Altium Designer 這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB 繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進(jìn)行設(shè)計，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。二、設(shè)計方案二、設(shè)計方案2.12.1 功能設(shè)計功能設(shè)計制作一個能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能的電路：（1） 實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換為電壓與電壓放大；（2） 實現(xiàn)切換反饋電

12、阻的多檔光功率測量；（3） 實現(xiàn)電路安全穩(wěn)定,能夠測量與記錄實驗數(shù)據(jù)等。2.22.2 原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計圖 2.1 功能流程圖圖 2.1 為本次設(shè)計的電路的功能流程圖，該電路需要實現(xiàn)從光源到光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換到 IV 轉(zhuǎn)換，IV 轉(zhuǎn)換到電壓放大，電壓放大到功率轉(zhuǎn)換的功能。多檔光功率計設(shè)計6圖 2.2 電路原理圖根據(jù)電路的功能設(shè)計的要求，使用 Altium Designer Summer 09 軟件繪制多檔光功率計的原理圖，如圖 2.2 所示。U1 為 I-V 轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)把由 P1 端的硅光電池 D 受光照產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓的功能；U2 為同相放大器,把 U1 產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行比例放大，

13、輸出放大的電壓信號；S 為多檔開關(guān)，可切換到不同的反饋電阻實現(xiàn)不同檔位間的變換，其中各個電阻的阻值為：R1a=10K,R1b=100K,R1c=300K,R2=100R,R3=100K,R4=100K。2.2.3 3 PCBPCB 設(shè)計設(shè)計圖 2.3 印制電路板圖 圖 2.4 印制電路板圖（敷銅）使用 Altium Designer Summer 09 軟件進(jìn)行 PCB 封裝設(shè)計，設(shè)計結(jié)果為圖 2.3 和圖 2.4 所示。多檔光功率計設(shè)計7三、硬件三、硬件與設(shè)備與設(shè)備在本次課程設(shè)計中，需要用到電路板、硅光電池、鎢燈、積分球、OP07CP芯片、管座、電阻、電烙鐵、焊錫、偏口鉗、萬用表和導(dǎo)線等硬件

14、設(shè)備。3.13.1 PCBPCB圖 3.1-3.2 PCB3.23.2 硅光電池硅光電池圖 3.3 硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖硅光電池（又稱太陽能電池）是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)簡單，核心部分是一個面積較大的 PN 結(jié)，并具有光生伏特效應(yīng)，即受到光照時能產(chǎn)生的電動勢和電流。它可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源，具有壽命長、使用方便、無噪音、無污染等優(yōu)點。在本次課程設(shè)計中，采用硅光電池作為多檔光功率計的探測器。3.2.13.2.1 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析硅光電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示，主要由兩部分組成：N 型硅基片層和 P型硅受光層。根據(jù) PN 結(jié)原理，當(dāng)

15、光照在 P 型硅表面，且光子能量大于材料的禁帶寬度時，在 PN 結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，N 區(qū)電子密度增加，P 區(qū)空穴密度增加，如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在 PN 結(jié)附近，使 P 區(qū)獲得附加正電荷，N 區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在 PN 結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。如果連接靈敏電流計形成閉合電路，則在回路中多檔光功率計設(shè)計8產(chǎn)生光電流，光電流的大小與入射光強(qiáng)有關(guān)。3.2.23.2.2 工作原理工作原理硅光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體 PN 結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當(dāng)有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)

16、到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N 型區(qū)和 P 型區(qū)，當(dāng)在 PN 結(jié)兩端加負(fù)載時就有一光生電流流過負(fù)載。流過 PN結(jié)兩端的電流由下式確定： = ( 1)+ 其中：Is(飽和電流);V(PN 結(jié)兩端的電壓);T(絕對溫度);Ip(產(chǎn)生的光電流)圖 3.4 硅光電池的伏安特性曲線當(dāng)在硅光電池兩端加負(fù)載就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載很小時，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時，電流較大而電壓較小。圖 3.4 為硅光電池的伏安特性曲線。3.33.3 鎢燈鎢燈鎢燈，一種用于各種類型商場、酒店、店鋪、家居等裝飾設(shè)計照明及儀器照明的燈具，具有燈光效高、壽命長、光色良好的特點。3.43.4 積分球積分球

17、圖 3.5 積分球原理圖多檔光功率計設(shè)計9積分球（Integrating sphere）是一個內(nèi)壁涂有白色漫反射材料的空腔球體，又稱光度球和光通球， 其特點是具有高反射性內(nèi)表面的空心球體。球壁上開一個或幾個窗孔，用作進(jìn)光孔和放置光接收器件的接收孔。積分球的內(nèi)壁應(yīng)是良好的球面，通常要求它相對于理想球面的偏差應(yīng)不大于內(nèi)徑的 0.2%。球內(nèi)壁上涂以理想的漫反射材料（漫反射系數(shù)接近于 1） 。常用的材料是氧化鎂或硫酸鋇，將它和膠質(zhì)粘合劑混合均勻后，噴涂在內(nèi)壁上。氧化鎂涂層在可見光譜范圍內(nèi)的光譜反射比都在 99%以上，這樣，進(jìn)入積分球的光經(jīng)過內(nèi)壁涂層多次反射，在內(nèi)壁上形成均勻照度。為獲得較高的測量準(zhǔn)確度

18、，積分球的開孔比應(yīng)盡可能小。開孔比定義為積分球開孔處的球面積與整個球內(nèi)壁面積之比。3.3.5 5 OP07CPOP07CP 芯片芯片圖 3.6 OP07CP 封裝圖OP07 是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路,用于微弱信號的放大，如果使用雙電源，能達(dá)到最好的放大效果。3.3.6 6 其他工具其他工具圖 3.7 電烙鐵 圖 3.8 焊錫多檔光功率計設(shè)計10圖 3.9 偏口鉗 圖 3.10 萬用表電烙鐵，用于焊接元件及導(dǎo)線。焊錫，是在焊接線路中連接電子元器件的重要工業(yè)原材料，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、家電制造業(yè)、汽車制造業(yè)、維修業(yè)和日常生活中。偏口鉗，電工常用工具之一，又稱為“斜口鉗” ，主要用于剪切

19、導(dǎo)線，元器件多余的引線。萬用表，一種多功能、多量程的測量儀表，一般可測量直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻和音頻電平等，有的還可測量交流電流、電容量、電感量及半導(dǎo)體的一些參數(shù)等。四、實驗過程四、實驗過程4.14.1 實驗步驟實驗步驟（1）提前使用 Altium Designer Summer 09 軟件繪制電路原理圖與 PCB；（2）兩人一組，找齊所需設(shè)備與元件；（3）使用電烙鐵把各個元件焊接到電路板上；（4）在電路板管座上安裝 OP07CP 芯片，使用萬用表調(diào)試電路板；（5）在調(diào)試無誤后，用鎢燈和積分球提供穩(wěn)定光源，對硅光電池進(jìn)行照射，通過改變積分球的出射光功率改變光照強(qiáng)度，在不同

20、光功率下使用萬用表分別測量電路最終的輸出電壓，記錄數(shù)據(jù)； （6）切換 I-V 轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，改變光功率計的檔位，重復(fù)上一步驟，記錄數(shù)據(jù)；（7）檢查整體實驗情況，確認(rèn)后整理實驗室，打掃衛(wèi)生，實驗完成。4.24.2 注意事項注意事項安全第一，正確使用設(shè)備，操作過程中保護(hù)電路元件，避免靜電造成元件多檔光功率計設(shè)計11損傷；降低噪聲信號，提高數(shù)據(jù)真實性。4.34.3 完成情況完成情況圖 4.1 焊接后的 PCB 圖 4.2 多檔反饋電阻圖 4.3 硅光電池電路 圖 4.4 整體電路圖 4.1 所示電路板，點焊了兩個管座、兩個 OP07 芯片、三個電阻（阻值分為 100R、100K 和 100K）

21、和若干導(dǎo)線等，該電路板構(gòu)成 I-V 轉(zhuǎn)換電路和同相放大電路；圖 4.2 所示電路板，點焊了四個電阻（阻值分為 10K、100K、300K 和470K） ，其中選用 10K、100K 和 300K 的電阻作為本次課程設(shè)計的多檔反饋電阻。多檔光功率計設(shè)計12五、數(shù)據(jù)記錄與分析五、數(shù)據(jù)記錄與分析5.15.1 數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄表 5.1 多檔光功率計設(shè)計實驗數(shù)據(jù)表實驗在較為理想情況下進(jìn)行，分別測量光功率計在不同輸出光功率和不同檔位（即 10K 反饋電阻、100K 反饋電阻和 300K 反饋電阻）下的輸出電壓，得到如表 5.1 所示的實驗數(shù)據(jù)表。5.5.2 2 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析下面結(jié)合設(shè)計的電路，計算與

22、分析測得的數(shù)據(jù)。5.2.15.2.1 理論放大系數(shù)理論放大系數(shù)放大系數(shù) A理=1+R4/R3=1+100K/100K=2。5.2.25.2.2 靈敏度靈敏度對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，得到光功率計各檔位的 P-U 關(guān)系式分別為，10K 反饋電阻：y = 0.4011x - 0.00671100K 反饋電阻：y = 4.0067x - 0.01582300K 反饋電阻：y = 11.974x + 0.10553靈敏度（Sensitivity）是衡量物理儀器的一個標(biāo)志，由123式可得，光功率計各檔位的靈敏度 分別為：10K 反饋電阻：0.4011；100K 反饋電阻：4.0067；300K 反饋電阻：

23、11.974可知，光功率計的靈敏度與反饋電阻的阻值成正比，反饋電阻越高，靈敏度越高。因此，合理選擇反饋電阻，以匹配相應(yīng)的靈敏度尤為重要。5.2.35.2.3 P-UP-U 曲線（標(biāo)定曲線）曲線（標(biāo)定曲線）多檔光功率計設(shè)計13圖 5.1 輸入光功率與輸出電壓（P-U）曲線根據(jù)表 5.1 所得數(shù)據(jù)，使用 Excel 軟件繪制了輸入光功率與輸出電壓（P-U）曲線，如圖 5.1 所示。由圖 5.1 可知，輸入光功率與輸出電壓（P-U）關(guān)系在光功率為 0-5W 的范圍內(nèi)，具有良好的線性關(guān)系。5.2.45.2.4 模擬模擬 P-UP-U 表表圖 5.2 輸入光功率與輸出電壓（P-U）標(biāo)定表盤根據(jù)表 5.1

24、 所得數(shù)據(jù)，模擬真實電表，繪制標(biāo)定表盤，即 P-U 表，如圖5.2 所示，使用該表盤能夠?qū)崿F(xiàn)把所測的光功率值換算為對應(yīng)的電壓值的讀數(shù)功能。5.5.3 3 誤差分析誤差分析5.3.15.3.1 放大系數(shù)誤差分析放大系數(shù)誤差分析分析所得數(shù)據(jù)，計算出同相比例放大電路的實際放大系數(shù) A實=2.0109，則絕對誤差為，|實 理|理=|2.0109 2|2 100% = 0.55%實理 1多檔光功率計設(shè)計14由計算結(jié)果可知，放大系數(shù)的絕對誤差很?。?.55%） ，實際放大系數(shù)與理論放大系數(shù)比值接近 1。因此，該結(jié)果較為精確，與理論相符程度高。5.3.25.3.2 靈敏度誤差分析靈敏度誤差分析10K 反饋電阻：實=0.4011，理=0.4，絕對誤差為，|實 理|理=|0.4011 0.4|0.4 100% = 0.28%實理 1100K 反饋電阻：實=4.0067，理=4，絕對誤差為，|實 理|理=|4.0067 4|4 100% = 0.1