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1、1引言-2-2基本原理-3-2. 1 光电二极管的技术参数-3-2.2光电二极管的种类-4-2. 3 光电转换电路-5-2.4 前置放大电路-7-3设计分析-7-4结果探讨-8-参考文献-8-1引言光的信息就存在于光强和相位中。而相位信息又是通过干涉转化成强度信 息进行测量的，故光强的测量是很重要的检测目标。光强变更的检测要针对光的变更特性进行设计。第一，入射光从频谱方面 分析有单色的，有白光的，有特定光谱的；其次，光强有缓变和快变之分，一 天之中日光强度的变更就属于缓变，再快一点的话如屏幕上木一个像素点随动 画播放强度的变更，更快的还有人眼无法识别的，这将涉及到器件的响应度； 第三，光强有变
2、更幅度的问题，变更幅度有大有小针，这将涉及到器件的灵敏 度；第四，光强的静态点，假如静态点在零点，且属于小幅度变更便属于微光 检测。本段是对光源的分析，这是设计的目的，志向的检测是能针可以检测随 意光强处，光强度的极高频极微弱变更，明显这是无法达到的，只对特定的需 求进行设计。光电检测的第一步是分析光，及其设计目标。其次步是光感应器件。第三 步是配套电路。光电器件涉及到半导体，光与物质间的作用和原件制备工艺与 技巧等学问，这些会影响器件的性能误差等参数。再依据电子技术学问，通过电 路优化消退误差，可得出志向的电路。误差的来源有光电器件的非线性性质， 外界温度，放大器件本身的噪声。能感应光强的器
3、件有：光敏电阻，光电池，光电二极管（PIN管，雪崩管 等），复合光电三极管，光电三极管。其中响应最慢的是光敏电阻，他不但惯 性大，还具有前历效应。本试验选用光电二极管，它具有较快的动态响应。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而 变更的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般 用于光的测量、光的限制和光电转换（将光的变更转换为电的变更）。通常， 光敏电阻器都制成薄片结构，以便汲取更多的光能。当它受到光的照耀时，半 导体片（光敏层）内就激发出电子一空穴对，参加导电，使电路中电流增加。光电二极管和一般二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具
4、 有单方向导电特性。但是，在电路中它是通过它把光信号转换成电信号。光电 二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二 极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流; 有光照时，反向电流快速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向 电流也越大。光强的变更引起光电二极管电流变更，这就可以把光信号转换成 电信号，成为光电传感器件。本试验采纳光电二极管，完成对低频微弱光信号的检测。对微弱或极微弱 光的检测，在科学探讨，生活应用和军事等领域有广泛的应用。为将微弱光信 号转换为电信号以便利后级电路处理，设计了针对于微弱光信号检测电路。电 路由光电转换
5、和前置放大两部分组成。该放大电路设计可有效放大低于InW的 微弱输入信号，同时对噪声也有很强的抑制作用。微弱光信号检测的一般方法是通过光电转换器件将微弱的光信号转换成为 微弱电信号，然后再通过电路放大，将这个微弱电信号转变为可处理的电信号。 微弱光信号检测的难点在于光电信都很微弱，所以制作低噪声、高精度光电放 大器是关键所在。现在一般采纳光电转换电路和前置放大电路组成放大器的方法，并且多采 纳专用集成电路来构建电路。全部采纳专用集成电路的方法缺乏敏捷性，在有 些应用中并不特别合适，因此本文比较了专用集成电路和相对分立的元器件构 成的两种放大器。其中光电转换电路采纳低输入偏置电流放大器AD549
6、为主构 成。前置放大电路采纳两种方式：一种运用对管和高精度集成运放0P07构成对 数的放大电路；另一种运用专用集成电路L0G100。实际表明在输入为微弱光信 号状况下，分立电路更能有效抑制干扰信号，并为后继处理输出有效信号。2基本原理电路由光电转换和前置放大两部分组成。光电转换电路采纳低输入偏置电 流运算放大器AD549实现；前置放大电路运用对称三极管组成的对数比率放大 电路实现，并在同等条件下与集成电路LOG 100组成的前置放大电路相比较。 2.1光电二极管的技术参数1 .最高反向工作电压；2 .暗电流;光电耦合器的输出特性是指在肯定的发光电流If下，光敏管所加偏置电 压Vce与输出电流I
7、c之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光 敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。暗电流是指器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流.（它包括晶体材料表面缺陷形成 的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流.）3 .光电流；4 .灵敏度；5 .结电容;6 .正向压降；7 .响应度响应度是光生电流与产生该事务光功率的比。工作于光导模式时的典型 表达为A/W。响应度也常用量子效率表示，即光生载流子与引起事务光子的 比。8 .噪声等效功率噪声等效功率（NEP）等效于1赫兹带宽内均方根噪声电流所需的最小 输入辐射功率，是光电二极管最小可探测的输入功率。9 .频率响应特性光电二
8、极管的频率特性响应主要由3个因素确定：a.光生载流子在耗尽层旁边的扩散时间；b.光生载流子在耗尽层内的漂移时间；c.负载电阻与并联电容所确定的电路时间常数。光电二极管与光电倍增管相比，具有电流线性良好、成本低、体积小、 重量轻、寿命长、量子效率高（典型值为80%）及无需高电压等优点，且频 率特效好，相宜于快速变更的光信号探测。不足是面积小、无内部增益（雪 崩光电管的增益可达1001000,光电倍增管的增益则可达100000000）、灵 敏度较低（只有特殊设计后才能进行光子计数）以及相应时间慢，且工艺要 求很高。光电二极管和一般的半导体二极管相像，可以暴露（探测真空紫外）或 用窗口封装或由光纤连
9、接来感光。2.2 光电二极管的种类PN型特性：优点是暗电流小，一般状况下，响应速度较低。用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度 计、照相机曝光计。PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传 真放射键型特性：运用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体用途：主要用于紫外线等短波光的检测雪崩型特性：响应速度特别快，因具有倍速做用，故可检测微弱光用途：高速光通信、高速光检测2.3 光电转换电路光电二极管是光电转换电路中的主要器件，其灵敏度和动态响应速度是整 个检测电路工作速度和精度的先决条件5。本试验中
10、光电二极管运用PIN 硅光电二极管(S1227-66B),它具有灵敏度高，暗电流小的优点。图1为试验 中采纳的光电转换电路的发等效电路。由理论分析可知，电路输出电压为u01= I*Rf = S*P*Rf式中：S为光电二极管的灵敏度；P为入射光功率。试验中光电二极管的灵 敏度S为。.36A/ W,入射光功率为nW量级，Rf值为数百k Q数百M Q,输 出电压ui的值为几mV几十mV。电路中Cf用于防止电路自激振荡和抑制噪声 干扰，同时也限制电路的带宽1/2 jiRfCf，保证电路工作在良好的线性条件下， 也减小了带外干扰的影响。图1光电转换电路在微弱光信号检测中，因输人的光功率通常在0到几十nW
11、之间，光电探测 器输出的光电流约为几个到几十nA之间，故对前级运算放大器(图1、图2IC0) 的要求较高。为了获得较好的信噪比，一般要求输人偏置电流比输人信号小 12个数量级。本试验中选择了具有较低的输入失调电压和极低输入偏置电流 的AD549作为前级放大电路的运放。图2为光电二极管等效电路，输入偏置电 流3对输出电压的影响为IbXRf，输入失调电压Vb对输出电压的影响为 (1+Rf/Rs) VBo为得到较高的输出电压，试验中Rf取数百MQ。由于AD549s 系列的输入偏置电流不超过lOOfA,所以片对输出电压的影响一般为十几个 UV,通常可忽视不计。光电二极管内阻Rs的值约为10MQ, AD
12、549s的输入失 调电压在0.3mV左右，这样Vb对输出电压的影响可能达到几个mV,对于微弱信 号的检测有较大影响。为了减小这种影响，Rf的值不宜选择过大，同时接入 微调电阻，将输入失调电压降为最小。图2光电二极管等效电路2.4 前置放大电路光电转换及放大电路输出的信号只有mV量级，因此须要工作稳定的低噪声 前置放大电路将信号进一步放大，以便与后续的限制和运算系统对接。由于对 数比率放大电路相对于线性放大电路具有限制简洁、动态范围大和线性度好的 优点，且对数放大电路能够实现数据压缩的功能，便利与A/D转换器连接，本 试验中采纳对数比率放大电路作为前置放大电路，如图3所示。前置放大电路为了克服温
13、度的影响，电路中采纳了 2只对称匹配的晶体三极管来消退晶 体管集电极电流的温度漂移。同时，由于如还与Ut（温度电压当量，约为 26mV）有关，而Ut受温度影响较大，本试验中利用具有正温度系数的电阻R5 来补偿5的温度影响。IC1和IC2均采纳低噪声高精度集成运放OP07, Cfi和 Cf2用于相位补偿，保证闭环工作的稳定性。由图3知：R5RU2, R3 + R4 + R5 ul取 R = R2，则u0=，一9-UTlnoK5u2将光电转换电路的输出ui接在前置放大电路的ul端，调整u2的值即可 得到不同的增益。最终的结果为u。3设计分析光电二极管运用PIN硅光电二极管(S1227-66B) o
14、光电二极管的灵敏度S 为0. 36A/ W,入射光功率P为nW量级，Rf值为数百k Q数百M。，输出电 压的值为几mV几十mVo试验中选择了具有较低的输入失调电压和极低输入偏置电流的AD549作为 前级放大电路的运放。调整u2可得到不同的增益。ul = u01= I*Rf = S*P*RfR3 + R4 + R5 ulUo=一可In 而由反馈电压u0,增益电压u2和上式中固定参数可求出入射光功率P。4结果探讨此光强测量方法可以完成对nW量级的光强测量。优点是通过温度反馈消退 了温度对测量精度的影响。有待改进之处是，增加后续电路还可以完成对测量数据的数字式显示，存 储和其他运算。参考文献1刘彬，
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