基于APD的光电探测器电路研究与设计

基于APD的光电探测器电路研究与设计
基于APD的光电探测器电路研究与设计

万方数据

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APD偏压电路的最佳设计_外文翻译

APD偏压电路的最佳设计 孙纯生,秦世桥,王兴书,朱冬华 1 .国防科技大学光电科学与技术学院,中国长沙410073 2 . 海军工程大学装备工程部,中国武汉430033 本文提出了一种基于温度补偿和负载电阻补偿的雪崩光电二极管(APD)反向偏压控制方法,并详细的分析了背景光和负载电阻对雪崩光电二极管检测电路的影响。为雪崩光电二极管偏置电路的设计建立了一种理想的温度补偿和负载电阻补偿模型。据预测,这种控制方法特别适用于车辆使用的激光测距仪。实验结果证实,本文提出的设计可以很大程度的改善测距仪的性能。 雪崩光电二极管(APD)的特点是具有很高的量子效率和教大的内部增益,这可以很大程度的降低对前置放大电路性能的要求,并能提高检测电路的信噪比(SNR)。因此,它具有很广泛的用途,如光纤通信、激光测距仪、微弱信号探测器等。为了使检测电路能获得最佳检测性能,APD的外部电压需要接近最佳倍增因子时的电压。由于最佳倍增因子是许多因数的复函数,如:外部温度、背景光通量、放大器噪声和系统带宽,因此需要设计一个复杂的反馈控制电路及时的调整雪崩光电二极管的偏压。当然这就增加了开销。本文介绍了一种简单的、避免高开销的方式,就是确保温度补偿的同时给APD偏置电路选择一个合适的负载电阻。通过这种方式,背景光对雪崩光电二极管检测电路造成的不良影响可在一定程度上得到补偿,并且检测电路抗背景光能力得到了改善。在这种方法基础上为汽车防撞设计的激光测距仪能很好地满足系统的要求。 APD激光检测电路的主要噪声源包括检测器噪声、负载电阻噪声、放大电路前端噪

声,还有背景光电流和信号光电流造成的散粒噪声。当前的信噪比可以按照下列方程式计算: (1) 方程1右边分子部分是光信号电流。方程1右边分母部分是噪声电流,包括三个方面。第一项是背景光电流和信号光电流造成的散粒噪声,第二项是检测器噪声,最后一项是负载电阻噪声和跟随放大电路的等效噪声。在方程中,s P 代表检测器接收到的光信号功率,M 是APD 的倍增增益,o R 是当M=1时的电流灵敏度,e 是电子的电荷量,等于1.602×10-19C ,B 是检测电路的通频带宽,b P 是检测器收到的背景光功率,A F 是APD 的过量噪声系数,ds i 是APD 表面漏电流,db i 是负载漏电流,K 是玻耳兹曼常数,等于1.3807 × 10-23 JK-1,T 是检测器负载电阻的温度(K),l R 是检测器的负载电阻(Ω),n F 是放大电路的等效输入噪声系数。 由于实际使用中M 是远远大于1的,暗电流可表示为d i ≈M db i ,而APD 过量噪声因子 A F =kM +(1-k )(2-1/M )≈2+kM 。在这一近似条件下,当d (i SNR )/dM =0,i SNR 达到其最大值且倍增因子达到最佳,可表示为: (2) 方程2中符号和方程1中符号的含义相同。我们知道,最佳倍增因子是外部温度、光信号功率、背景光功率,APD 噪声、光谱灵敏度、放大器噪声和系统带宽的函数。此外,特别是APD 内部结构决定了其倍增增益M 随工作温度变化而变化。用温度系数T C 来描述这种影响。对于C30737系列的APD ,T C 为 0.6 V/℃,这意味着在相同条件下,当APD 的工作温度增加1℃,为了维持APD 倍增因子不变偏压需要增加0.6 V 。 从前面一段的分析,我们知道,电路温度和背景光补偿旨在控制偏压,以便在不同SNR

-光电探测器原理

上海大学2014 ~2015学年春季学期本科生课程考试 小论文 课程名称:电子科学与技术新探索(专题研讨课) 课程编号: 10426056 论文题目: 光电探测器原理 本科生生姓名: 陆申阳学号: 12121765 论文评语: 成绩: 任课教师: 徐闰 评阅日期:

光电探测器原理原理 姓名:陆申阳 学号:12121765 摘要:光电探测器的原理主要是利用光电效应和光热效应。对于不同类型的光电探测器,他们的工作原理也不尽相同。本文以雪崩光电二极管、光电二极管、光热探测器为例具体介绍了它们们的工作原理。 Abstract:The primary principle of photodetector are photoelectric effect and photothermal effect.But,there are some distinctions of different photodetectors.The principles of photodiode,avalanche photodiode and optothermal detector are as follows. 关键词:雪崩光电二极管,光电二极管,热敏电阻,光电效应 Key words:avalanche photodiode,photodiode,photoelectric effect 简介:近年来,光电子系统已经运用到各个行业、各个领域。对于光电子系统,其最最重要的一部分光电探测器一直作为光电子系统的眼睛而存在。对于光电探测器,按照其辐射作用方式的不同,整体上可以分为光子探测器和光热探测器。按照具体的工作机理,光子探测器又可以分为光电导探测器、光敏电阻、雪崩光电二极管、光电二极管、光电发射探测器、光电管等;光热探测器可以分为热敏电阻、热电偶等。以下分别以光电二极管、雪崩光电二极管、热敏电阻为例具体介绍其工作原理。 一、光电二极管(PD) (一)、原理 光电效应可以分为内光电效应和外光电效应,内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。 光电二极管的基本原理就是利用了光生伏特效应。光辐射照射半导体结上时,光子降价电子激发到导带,形成光生电子——空穴对,光生电子——空穴对在自建电场的作用下被分别扫向两端,形成光生电动势。即光生伏特效应。

APD偏压电路的最佳设计 - 外文翻译

APD偏压电路的最佳设计 - 外文翻译 APD偏压电路的最佳设计 孙纯生,秦世桥,王兴书,朱冬华 1 .国防科技大学光电科学与技术学院,中国长沙410073 2 . 海军工程大学装备工程部,中国武汉430033 提出了一种基于温度补偿和负载电阻补偿的雪崩光电二极管反向偏压控制方法,并详细的分析了背景光和负载电阻对雪崩光电二极管检测电路的影响。为雪崩光电二极管偏置电路的设计建立了一种理想的温度补偿和负载电阻补偿模型。据预测,这种控制方法特别适用于车辆使用的激光测距仪。实验结果证实,提出的设计可以很大程度的改善测距仪的性能。 雪崩光电二极管的特点是具有很高的量子效率和教大的内部增益,这可以很大程度的降低对前置放大电路性能的要求,并能提高检测电路的信噪比(SNR)。因此,它具有很广泛的用途,如光纤通信、激光测距仪、微弱信号探测器等。为了使检测电路能获得最佳检测性能,APD的外部电压需要接近最佳倍增因子时的电压。于最佳倍增因子是许多因数的复函数,如:外部温度、背景光通量、放大器噪声和系统带宽,因此需要设计一个复杂的反馈控制电路及时的调整雪崩光电二极管的偏压。当然这就增加了开销。介绍了一种简单

的、避免高开销的方式,就是确保温度补偿的同时给APD偏置电路选择一个合适的负载电阻。通过这种方式,背景光对雪崩光电二极管检测电路造成的不良影响可在一定程度上得到补偿,并且检测电路抗背景光能力得到了改善。在这种方法基础上为汽车防撞设计的激光测距仪能很好地满足系统的要求。 APD激光检测电路的主要噪声源包括检测器噪声、负载电阻噪声、放大电路前端噪 声,还有背景光电流和信号光电流造成的散粒噪声。当前的信噪比可以按照下列方程式计算: 方程1右边分子部分是光信号电流。方程1右边分母部分是噪声电流,包括三个方面。第一项是背景光电流和信号光电流造成的散粒噪声,第二项是检测器噪声,最后一项是负载电阻噪声和跟随放大电路的等效噪声。在方程中,Ps代表检测器接收到的光信号功率,M是APD的倍增增益,Ro是当M=1时的电流灵敏度,e是电子的电荷量,等于×10-19C,B是检测电路的通频带宽,Pb是检测器收到的背景光功率,FA是APD的过量噪声系数,ids是APD表面漏电流,idb是负载漏电流,K是玻耳兹曼常数,等于× 10-23 JK-1,T 是检测器负载电阻的温度(K),Rl是检测器的负载电阻(Ω),Fn是放大电路的等效输入噪声系数。 M 于实际使用中M是远远大于1的,暗电流可表示为

光电探测器原理

光电探测器原理

光电探测器原理及应用 光电探测器种类繁多,原则上讲,只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的,是变光信号为电信号的元件。 光电效应分两类,内光电效应和外光电效应。他们的区别在于,内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料 内部轰击出来,而只是将光电材料内部的光 电子从低能态激发到高能态。于是在低能态 留下一个空位——空穴,而高能态产生一个 自由移动的电子,如图二所示。 硅光电探测器是利用内光电效应的。 由入射光子所激发产生的电子空穴对,称为光生电子空穴对,光生电子空穴对虽然仍在材料内部,但它改变了半导体光电材料的导电性能,如果设法检测出这种性能的改变,就可以探测出光信号的变化。 无论外光电效应或是内光电效应,它们的产生并不取决于入射光强,而取决于入射光波的波长λ或频率ν,这是因为光子能量E只和ν有关: E=hν(1) 式中h为普朗克常数,要产生光电效应,每个光子的能量必须足够大,光波波长越短,频率越高,每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少,并不反映每个光子的能量大小。 目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管,是由半导体材料制作的。 半导体光电探测器是很好的固体元件,主要有光导型,热电型和P—N结型。但在许多应用中,特别是在近几年发展的光纤系统中,光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差;热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件,是该波长区理想的光接收器件。 一、耗尽层光电二极管 在半导体中,电子并不处于单个的分裂 能级中,而是处于能带中,一个能带有许多

光电探测器原理

光电探测器原理及应用 光电探测器种类繁多,原则上讲,只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的,是变光信号为电信号的元件。 光电效应分两类,内光电效应和外光电效应。他们的区别在于,内光电效应 的入射光子并不直接将光电子从光电材料内 部轰击出来,而只是将光电材料内部的光电 子从低能态激发到高能态。于是在低能态留 下一个空位——空穴,而高能态产生一个自 由移动的电子,如图二所示。 硅光电探测器是利用内光电效应的。 由入射光子所激发产生的电子空穴对,称为光生电子空穴对,光生电子空穴对虽然仍在材料内部,但它改变了半导体光电材料的导电性能,如果设法检测出这种性能的改变,就可以探测出光信号的变化。 无论外光电效应或是内光电效应,它们的产生并不取决于入射光强,而取决于入射光波的波长λ或频率ν,这是因为光子能量E只和ν有关: E=hν(1) 式中h为普朗克常数,要产生光电效应,每个光子的能量必须足够大,光波波长越短,频率越高,每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少,并不反映每个光子的能量大小。 目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管,是由半导体材料制作的。 半导体光电探测器是很好的固体元件,主要有光导型,热电型和P—N结型。但在许多应用中,特别是在近几年发展的光纤系统中,光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差;热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件,是该波长区理想的光接收器件。一、耗尽层光电二极管 在半导体中,电子并不处于单个的分裂 能级中,而是处于能带中,一个能带有许多

光电探测技术

第一章: 1,光电检测系统的基本组成及各部分的主要作用? 光源——光学系统——被测对象——光学变换——光电转换——电信号放大与处理[存储,显示,控制] 作用:光学变换:将被测量转换为光参量,有时需要光信号的匹配处理,目的是更好的获得待测量的信息。 电信号放大与处理的作用:存储,显示,控制。 第二章: 1、精密度、准确度、精确度、误差、不确定度的意义、区别。 答:精密度高指偶然误差较小,测量数据比较集中,但系统误差大小不明确; 准确度高指系统误差较小,测量数据的平均值偏离真值较少; 精确度高指偶然误差和系统误差都比较小,测量数值集中在真值附近; 误差=测量结果-真值;不确定度用标准偏差表示。 2、朗伯辐射体的定义?有哪些主要特性? 答:定义:辐射源各方向的辐亮度不变的辐射源。特性:自然界大多数物体的辐射特性,辐亮度与观察角度无关。 3、光谱响应度、积分响应度、量子效率、NEP、比探测率的定义、单位及物理意义。 答:灵敏度又叫响应度,定义为单位辐射度量产生的电信号量,记作R,电信号可以是电流,称为电流响应度;也可以是电压,称为电压响应度。对应不同辐射度量的响应度用下标来表示。辐射度量测量中,测不同的辐射度量,应当用不同的响应度。 对辐射通量的电流响应度(AW-1 ) 对辐照度的电流响应度(AW-1 m 2 ) E 对辐亮度的电流响应度(AW-1 m 2 Sr)L 量子效率:在单色辐射作用于光电器件时,单位时间产生的的光电子数与入射的光子数之比,为光电器件的量子效率。 NEP:信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率。单位:W。物理意义:反映探测器理论探测能力的重要指标。 比探测率:定义;物理意义:用单位探测系统带宽和单位探测器面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力。 第三章: 1、光源的分类及各种光源的典型例子;相干光源和非相关光源包括哪些? 答:按照光波在时间、空间上的相位特征,一般将光源分成相干光源和非相干光源;按发光机理可分为:热辐射光源,常用的有:太阳、黑体源、白炽灯,典型军事目标辐射;气体辐射光源,广泛用作摄影光源;固体辐射光源,用于数码、字符和矩阵的显示;激光光源,应用:激光器。相干光源:激光;非相关光源:普通光源。 2、对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面要求? 答:1.波长(光谱)特性2.发光强度(光功率)3.光源稳定性(强度、波长) 3、辐射效率和发光效率的概念及意义 答:在给定λ1~λ2波长范围内,某一辐射源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需比,称为该辐射源在规定光谱范围内的辐射效率;某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功/率之比,就是该光源的发光效率。 4、色温,配光曲线的概念及意义 答:色温:如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同,则黑体的

光电探测器 入门详细解析

光电探测器 摘要 本文研究了近期崛起的高科技新秀:光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器,使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料,而且对研发新的光电探测器有所帮助 一、简单介绍引入 光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时,性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有:光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等,其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示,从而进行探测。 光电探测器的发展历史: 1826年,热电偶探测器→1880,金属薄膜测辐射计→1946,热敏电阻→20世纪50年代,热释电探测器→20世纪60年代,三元合金光探测器→20世纪70年代,光子牵引探测器→20世纪80年代,量子阱探测器→近年来,阵列光电探测器、电荷耦合器件(CCD) 这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面,都有着不可或缺的作用。 二、光电探测材料的分类。 由于器件对辐射响应的方式不一样,以此可将光电探测器分为两大类,分别是光 1

子探测器和热探测器。 ○1光子探测器:光子,是光的最小能量量子。单光子探测技术,是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术,其原理是利用新式光电效应,可对入射的单个光子进行计数,以实现对极微弱目标信号的探测。光子计数也就是光电子计数,是微弱光(低于10-14W)信号探测中的一种新技术。 ○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器,同时也叫热电探测器。(光热效应指的是当材料受光照射后,光子能量会同晶格相互作用,振动变得剧烈,温度逐渐升高,由于温度的变化,而逐渐造成物质的电学特性变化)。 若将光电探测器按其他种类分类,则 按应用分类:金属探测器,非成像探测器(多为四成像探测器),成像探测器(摄像管等)。 按波段分类:红外光探测器(硫化铅光电探测器),可见光探测器(硫化镉、硒化镉光敏电阻),紫外光探测器。 2

光电探测器迷宫设计方案2015.5.15

光电感烟探测器设计计划2015.5.15 一:迷宫设计要求: 1. 满足点型光电探测器基本功能要求,一致性,重复性,方位试验,环光试验,气流试验, 火灾灵敏度试验等均要满足国标要求。(其中一致性,重复性,方位,气流试验要严于标准要求。比值<1.3) 2. 兼容性:1.可通过选择不同的发射管方案满足现行光电探测器国标要求或征求意见稿对响应 阈值和火灾灵敏度的要求。同时满足其他实验要求。 2.兼容复合式感温感烟探测器,该迷宫可应用于复合式感温感烟探测器。 3.兼容防爆型光电感烟探测器和复合式感温感烟探测器的生产工艺要求。 3. 满足贴片LED指示灯和导光柱的结构要求。 4. 满足接收管部分需要金属屏蔽罩罩住的结构要求。 5. 满足生产工艺简单,较容易保证生产一致性的要求。 6. 需考虑兼容线路板使用贴片铝电解电容的方案。 7. 灵敏度一致性标定的速度应满足生产线速度的要求。 8. 需考虑灰尘累积对采样值的影响。 二:外壳和底座的设计要求: 1.新探测器外壳与旧底座兼容。 2.兼容防爆光电探测器灌胶工艺 3.线路板与中扣连接片不采用螺钉连接方式,可考虑选择焊接的连接方式或者通过弹片弹 压接触的方式。 4.中扣与上盖的固定方式采用卡扣结构。增加防呆设计。考虑使用机械手安装时上盖和中 扣与传送带的固定方式。 5.需考虑兼容线路板使用贴片铝电解电容的方案。 6.兼容激光打标机打印标签。 7.线路板安装位置应有方向标识和防呆设计。 8.接收管屏蔽罩的安装与焊接应尽量操作简单。 9.探测器与底座安装时可实现360度旋转,安装后连接片部分与底座接触良好。 10.外壳和底座强度应满足国标中的碰撞,震动等试验要求。 11.外壳进烟口的设计应与迷宫进行配合,最大限度提高进烟性能,同时满足国标中气流试 验要求。 12.底座强度应满足工程使用要求,螺钉固定后底座不应变型导致探头无法安装。 13.探测器中扣和上盖应该增加导水孔的设计。实现防水功能。 14.底座与上盖配合时,旋入要有手感,旋出要有力度。 15.底座压板两个钉,其中自攻钉用不方便拆卸的螺钉。例如三角形等。 三:电路设计要求 1.工作电压范围DC8~28V,环境温度:-10℃~60℃ 2.静态电流:≤300μA 报警电流:≤2mA 3.采样值在正常环境下浮动范围不应超过±1。 4.电磁兼容试验满足标准要求。 1 / 5

四象限光电探测器电路的设计方案

四象限光电探测器的电路设计方案 一、原理 四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成,每个探测器一个象限,目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像,如图1。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时,四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同,比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上(也就知道了目标的方位),若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘,则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。 图1 目标在四象限光电探测器上成像 图2方位探测器原理框图。 信号通过放大和调理后由由A/D转换器(本系统中采用ADS7864)采样转换成数字量送入单片机,由单片机处理后得到目标的方位,并根据实际系统的需要输出方位控制指令。 二、电路设计 根据实际系统的需要,A/D转换器用ADS7864,单片机用最常见的89C51。 这里对ADS7864作一介绍。ADS7864是TI公司生产的12bit高性能模数转换器,片上带2.5V 基准电压源,可用作ADS7864的参考电压。每片ADS7864实际由2个转换速率为500ksps

的ADC构成,每个ADC有3个模拟输入通道,每个通道都有采样保持器,2个ADC组成3对模拟输入端,可同时对其中的1~3对输入信号同时采样保持,然后逐个转换。由于6个通道可以同时采样,很适合用来转换四象限光电探测器的4路光电信号,剩下2个通道作系统扩展用。 *下面主要介绍电路中的信号采样转换和处理部分。 ADS7864前端调理电路 模数转换器的前端调理电路缩放和平移要采样的信号,通过调理后的信号适合A/D转换器的模拟输入要求。图3是ADS7864一个输入通道的前端调理电路, 图3 ADS7864前端调理电路 ADS7864模拟输入通道的+IN和-IN的最大电压输入范围为-0.3V~+5.3V(ADS7864 +5V供电)。图3的电路中使用了2个运放,A1用作跟随器,用来缓冲ADS7864输出的2.5V基准电压源;A2和四个电阻构成了信号调理网络,适当配置R1~R4电阻可以实现对输入信号Vi的缩放和平移以适合ADS7864模拟通道的输入要求。+IN端的输入电压表示如下:

光电探测器:灵敏度、偏置和带宽

实验2. 光电探测器:灵敏度、偏置和带宽 摘要: 本实验将用到实验1测量的中同样为1550 nm激光器,将利用信号发生器调制激光器,并在不同的偏置条件下测量不同光电探测器的灵敏度和带宽;将对商用光电接收器进行同样的测试,比较测量结果。 本实验的目的是了解半导体光电探测器基本使用及其偏置电路最优化设计,之后在本实验和下面的实验中将利用你自己搭建的光电接收器测量激光器及光纤的模式。 有关安全问题同实验1的描述。 步骤: 激光器 如同实验1一样,让激光器工作温度20℃,输出功率2mW(如果实验1中激光器工作温度不是20℃,则选择的温度应接近20℃);用功率计(用衰减器)检查激光装置;如同实验1中对激光器直接调制。将信号发生器连接到示波器输出不同的波形、振幅和频率。输出一个幅度为0.05 V、频率100 Hz弦波。信号发生器连接到电流源的输入,确信信号发生器没有超出激光器的最大调制速率。 光伏型光电探测器 测量光路如图2.1所示。光电探测器是一光敏面InGaAs光敏二极管。注意光电二极管直接连接到示波器的DC端以便观察激光器的调制信号,通过1M阻抗(示波器的输入阻抗)和衰减器适当衰减就可观察到信号,如果需要增加信号强度可去掉衰减器。观察加在激光器的偏置电流和调制电压如何导致信号的削波。导致削波的机理是什么?是信号使光电探测器饱和了吗? 图2.1不同偏置条件下半导体激光器的调制及光电探测器的灵敏度和带宽测试装置 激光器的偏置应加在其线性区域中心(无失真区),即大信号输入时产生的上下削波量相同。在该偏置电流下确定示波器能够探测到的最小调制电压信号。什么是信号的调制度?图2.2给出了信号调制度的定义。

基于ADL5317的APD偏压控制/光功率监测电路的设计

基于ADL5317的APD偏压控制/光功率监测电路的设计 1 引言 目前,雪崩光电二极管(APD)作为一种高灵敏、能精确接收数据和测量光功率的光探测器件广泛应用于光纤传感、光纤通信网络中。它借助于内部强电场作用产生雪崩倍增效应,具有极高的内部增益(可达102~104量级)。然而,APD随温漂的变化严重影响其增益的稳定性.甚至引起测量精度的恶化。理论上可以证明APD的增益是其偏压V和温度T的函数,二者共同决定APD工作时的增益,而且在维持APD增益比较恒定的条件下,其偏压和温度之间存在一定的关系。因此。可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。这样就可以维持APD增益基本恒定,保证其正常工作。这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。 由此可知.施加在APD上的偏置电压必须能够精确受控是保证光纤系统性能的首要要求。本文针对该要求。采用ADL5317器件。给出了一种具有高精度、宽动态范围的APD偏压控制/光功率监测功能的核心电路。 2 引脚排列及功能 ADL5317是ADI公司率先在业界推出的一款片上集成雪崩光电二极管(APD)偏置电压控制和光电流监测功能的器件。 ADL5317的主要特性如下: 通过3 V线性偏置控制电路,在6 V~75 V范围内精确设置雪崩二极管(APD)偏置电压; 在106范围(5 nA一5 mA)内以5:1的比率监测光电流,其线性误差仅为0.5%; 允许使用固定的高电压转换电路,降低传统APD偏置设计中对电源解耦和低通滤波的要求; 过流保护和过热保护。 ADL5317采用3 mm*3 mm的16引脚LFCSP封装,其引脚排列。各引脚功能描述如表1所列。 3 内部结构及工作原理 ADL5317的内部结构。其内部包括电流监测电路、偏置控制电路、GARD电路、VCLH电路、过流和过热保护电路。 3.1 电流监测电路 ADL5317的核心部分是一个具有电压跟随性质的精密电流衰减电路,为监测电路输入端提供精确偏置。该电路采用了结型场效应管输入形式的放大器.驱动监测电路的两极,同时保持VAPD端电压的稳定度及非常低的漏电流。该监测电路将流经VAPD端的光电流衰减至其1/5,然后传送至APD光电流监测输出端(IPDM)。在APD偏置电压范围内,监测电流与APD 光电流之间都保持极高的线性度。 3.2偏置控制电路 VAPD端与VSET端通过一个运算放大器相连,在线性工作模式下,两者电压之间存在一个简单的关系: 同时VAPD端电压调节范围与高电压电源端VPHV之间存在以下关系: 3.3 GARD电路 GARD电路主要用来屏蔽VAPD线路不受漏电流的影响,以及滤除偏置控制电路的噪声。GARD电路由VSET端运算放大器通过一个20 k欧姆的电阻进行驱动。该电阻与GARD端外接

光电探测器设计

中北大学 《光电探测理论与技术》 作业 学院:信息与通信工程学院 方向:动态测试与智能仪器 导师:靳鸿 姓名:李俊萍 学号: s2******* 班级: Y110503 成绩:

学习心得 通过本学期《光电探测理论与技术》课程的学习,使我了解了光电测试系统由光源、光学变换器件、光电转换器件、信号调理电路等模块构成,光电测试术具有精度高、测量范围广、非接触式测量等特点及优点。 本次作业的题目是红外线光电烟雾探测系统设计,我通过查阅相关文献资料,对光电探测电路进行了一定程度的总结。我参考了浦昭光(文献[1])、曾光宇,张志伟,张存林的《光电检测技术》(文献[2])、郝晓剑,李仰军的《光电探测技术与应用》(文献[3])、张国立(文献[4])、沈建华(文献[5])、张丽英(文献[6])等六篇文献资料,学习了光电探测电路的组成,光电转换器件的光电效应(包括外光电效应、内光电效应),了解了光电二极管的结构、特点、使用方法等。 通过本学期的课程学习,以及课程作业的完成,让我对光电探测理论与技术这门课程有了一定的了解,当然是比较浅显的。 谢谢尊敬的周老师! 学生:李俊萍(s2*******) 2011-8-28

红外线光电烟雾探测系统设计 中北大学信息与通信工程学院 S2*******李俊萍 摘要:光电技术目前已经全面渗透到人类社会生活的各个方面,部分改变着人们的行为模式和生活方式。光电系统在日常生活中有许多应用,在现代化的公共场所和管理部门如收费站、监控中心、隧道以及在其它军用和民用设施中,火灾自动报警系统己成为必不可少的设施。光电感烟探测器具有精度高,寿命长,成本低,生产、安装简单等优点,是火灾探测的主流产品。本文设计了一种红外线光电烟雾探测报警器,首先分析了目前市场上的情况,依据其工作原理对光电系统各个部分进行芯片选择及设计,选用MSP430超低功耗系列单片机作为探测器的微处理器,充分利用单片机的片上资源,设计了AD转换电路,缩小了体积,降低了功耗,提高了系统性能。通过采用功耗低、速度快、低成本的运算放大器LM358,硬件与软件的设计满足了系统的低功耗要求,实现了光电烟雾探测器的基本功能,且功耗低,性能稳定,实用性强。 关键词:光电烟雾探测器;MSP430;低功耗;运算放大器 0 引言 近年来,全球每年发生火灾600~700万起,为了早期发现和通报火灾,防止和减少火灾危害,保护人身和财产安全,在现代化的公路交通运营现场和管理部门以及许多场合比如收费站、宾馆、图书馆、机场、仓库等方面,火灾自动探测报警装置成为必不可少的设施。对保障人民生命财产安全,保障社会安定,保障交通事业和其它国民经济各部门的安全运营有着重要的意义。 设计火灾自动探测报警装置时的方案选择主要有:感温探测器、感光探测器和感烟探测器,感温探测器是感受到温度的变化,需要离火源较近的地方,感光探测器需要有明火出现才可以发现火情,感烟探测器是感应到烟雾的出现,相比较而言以及考虑火灾的特点,火灾总是先有烟雾的出现,感烟探测器能更快的检测到灾情,在实际应用中使用较多。感烟探测器又分为离子式和光电式两类。离子型感烟探测器对烟雾的探测响应性能较为均衡,但其主要利用放射源媚241进行工作,存在环保问题,并且不适合在潮湿环境中工作,目前处于逐步淘汰中。光电式对燃烧时的烟雾有较好的响应,全部由电子元器件组成,比较环保,基于以上原因本文设计一种低功耗的光电式烟雾探测器。

分压电路设计经验

前些天有人问我如何实现精密的分压,他认为电阻分压不够精密.其实分压的目的就是为了符合AD转换的输入范围,但其实有时候不但输入范围超出AD量程,甚至会是一个负电压,这个时候需要将电压平移.反正今天双休有空,我就说说自己的做法,疏漏之处敬请谅解 现今大多数的AD芯片都采用单电源+5V、+3.3V甚至更低的+1.8V供电,其差模输入范围一般是±Vref(差分输入)、0~ +Vref,部分允许使用外部基准的芯片允许0~ VDD的输入范围,但是无论如何无法对一个负的输入电压进行A to D的转换(也许有一些双电源的AD芯片可以,但我是个新手没仔细研究过)。如果要对一个过零的正负信号进行AD转换就必须进行电平的平移。理论上如图1所示的差分放大器就可以完成电平平移的效果,差分放大器的增益等于1,因此V out = Vin + 5.000。Vin = -5 ~ +5V,因此经过平移后V out = 0 ~ 10V,再经过电阻R18、R19二分压到符合AD系统输入范围的电压。 但是图1所示的电路并不理想。第一,放大电路的输入阻抗约等于R16 + R17 = 20K,低的输入阻抗要求信号源必须是低内阻具有衡压输出特性的信号源,否则将造成很大的误差;第二,R8 R9 R16 R17的匹配程度将直接影响增益精度;第三,R18 R19的二分压也将带来2%的最大误差,如果并非二分压那么R18≠R19,由于消耗的功率不一样导致R18温度与R19不相等,温漂将使得分压误差加大;第四,任何接入的电路将等效成一个负载,即使AD系统只吸收很低的电流,等效阻抗很大,也将进一步加大分压的误差。

对于第一个问题,可以在差分放大前加入一级电压跟随器作为缓冲,利用运放的高输入阻抗减少对信号源的影响,并且运放的低输出阻抗衡压输出的特性可以很好的满足差分放大级的“特殊”要求。对于第二和第三个问题,使用0.1%低温漂的精密电阻器可以大为改善。对于第四个问题,再运放负载能力允许的情况下使用阻值更小的电阻器可以将影响降低,但是应当注意的是-----使用阻值更小的电阻器将会使消耗功率增加,而消耗功率的增加又使得温度上升,温漂问题加重。经过改进的电路如图2所示: 当然,你还可以使用单片集成差分放大器去替换后端的用精密运放和精密电阻器构建的差分放大电路,例如单位增益的AMP03。其高共模抑制比(CMRR):100 dB(典型值) 、低非线性度:0.001%(最大值) 、低失真:0.001%(典型值) 、总增益误差0.0080% 的性能是绝对优胜于分立器件构建的差分放大电路的。然而成本是否增加很多我就不知道了,我不是采购不知道价格,哈哈。

光电探测器及应用

要正确选择光电探测器,首先要对探测器的原理和参数有所了解。 1.光电探测器 光电二极管和普通二极管一样,也是由PN结构成的半导体,也具有单方向导电性,但是在电路中它不作为整流元件,而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。 普通二极管在反向电压工作时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大,以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增加到几十微安,称为光电流。光的强度越大,反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换为电信号,称为光电传感器件。 2.红外探测器 光电探测器的应用大多集中在红外波段,关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了,需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展,很多重要的激光器件都在红外波段,其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术,使雷达和通信都可以在红外波段实现,并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前,红外技术仅仅能探测非相干红外辐射,外差接收技术用于红外探测,使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外,由于这类应用的需要,促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式,推动红外技术向更先进的方向发展。 红外线根据波长可以分为近红外,中红外和远红外。近红外指波长为0.75—3微米的光波,中红是指3—20微米的光波,远红外是指20—1000微米的波段。但是由于大气对红外线的吸收,只留下三个重要的窗口区,即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。因为有这三个窗口,所以可以被应用到很多方面,比如红外夜视,热红外成像等方面。 红外探测器的分类: 按照工作原理可以分为:红外红外探测器,微波红外探测器,玻璃破碎红外测器,振动红外探测器,激光红外探测器,超声波红外探测器,磁控开关红外探测器,开关红外探测器,视频运动检测报警器,声音探测器等。 按照工作方式可以分为:主动式红外探测器和被动式红外探测器。 被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。主动式红外探测器一般为对射,红外栅栏等,是探测器本身发射红外线。 按照探测范围可以分为:点控红外探测器,线控红外探测器,面控红外探测器,空间防范红外探测器。 点源是探测元是一个点。用于测试温度,气体分析和光谱分析等 线阵是几个点排成一条线。用于光谱分析等 面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。主要用于成像。 四象限是把一个点源分成四个象限。用于定位和跟踪。

光谱用光电探测器介绍_百度文库解析

光谱用光电探测器介绍(卓立汉光 光探测器按照工作原理和结构,通常分为光电探测器和热电探测器,其中光电探测器包括真空光电器件(光电倍增管等和固体光电探测器(光电二极管、光导探测器、CCD 等。 ● 光电倍增管(PHOTOMULTIPLIER TUBES,PMT 光电倍增管(PMT是一种具有极高灵敏度的光探测器件,同时还有快速响应、低噪声、大面积阴极(光敏面等特点。 典型的光电倍增管,在其真空管中,包括光电发射阴极(光阴极和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极(阳极的器件。当光照射光阴极,光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统,通过进一步的二次发射得到倍增放大;放大后的电子被阳极收集作为信号输出(模拟信号输出。因为采用了二次发射倍增系统,光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。 从接受入射光方式上来分,光电倍增管有侧窗型(Side-on和端窗型(Head-on两种结构。 侧窗型的光电倍增管,从玻璃壳的侧面接收入射光,而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下,侧窗型光电倍增管价格较便宜,并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极(反射式光阴极和环形聚焦型电子倍增极结构,这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型(也称作顶窗型光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极(透过式光阴极,使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从更大面积的光敏面(几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的,可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。

APD读出电路设计

2×8低噪声InGaAs/InP APD读出电路设计 0 引言 在红外通信的1 310~1 550 nm波段,高灵敏度探测材料主要有Ge—APD和InGaAs/InP APD,两者相比较,InGaAs/InP APD具有更高的量子效率和更低的暗电流噪声。In0.53Ga0.47As/InP APD采用在n+-InP衬底上依次匹配外延InP缓冲层、InGaAs吸收层、InGaAsP能隙渐变层、InP电荷层与InP顶层的结构。 APD探测器的最大缺点是暗电流相对于信号增益较大,所以设计APD读出电路的关键是放大输出弱电流信号,限制噪声信号,提高信噪比。选择CTIA作为读出单元,CTIA是采用运算放大器作为积分器的运放积分模式,比较其他的读出电路,优点是噪声低、线性好、动态范围大。 1 工作时序和读出电路结构 作为大阵列面阵的基础,首先研制了一个2×8读出电路,图1给出了该电路的工作时序,其中Rl、R2为行选通信号;Vr为复位信号;SHl、SH2是双采样信号;C1、C2、…、C8为列读出信号。电路采用行共用的工作方式,R1选通(高电平)时,第一行进行积分,SH1为高电平时,电路进行积分前采样,SH2为高电平时,进行积分结束前的采样,C1、C2、…、C8依次为高电平,将行上的每个像元上信号输出;然后R2为高电平,重复上面的步骤,进行第二行的积分和读出。 图2是2×8读出电路的结构框图,芯片主要由行列移位寄存器、CTIA和CDS单元组成,图中用虚线框表示:移位寄存器单元完成行列的选通,CTIA功能块将探测器电流信号按行进行积分,CDS功能块能抑

制电路的噪声,如KTC(复位噪声)、FPN(固定图形噪声)等;FPGA主要产生复位信号(Vr)和采样信号(SH1、SH2),触发电路的复位和采样动作,C8为该组信号的触发信号,解决和芯片内行列选通信号同步问题。 为了便于和读出电路的连接仿真,首先根据器件特性建立了器件的电路模型,如图3(a)中的虚线框所示,其中Idet、Rdet、Cdet分别表示器件的光电流、阻抗、寄生电容。图3(a)还给出了CTIA读出单元电路结构,主要由一个复位开关KR和积分电容Cint以及低噪声运放A构成。在CTIA结构中,设计一个高增益、低噪声、输入失调小、压摆率大的运放是确保读出电路信噪比高、动态范围大的关键。除此之外,积分电容Cint的设计也非常重要,在设计过程中发现,选择合适的积分电容也是关键之一。图3(b)是CDS 单元,由采样管Ml、M2、采样保持电容C1、C2及M3~M6构成的差分器组成,Vin为CDS输入电位,也即CTIA的输出电位。Voou1和Vout2为两次采样输出,经过减法器后可以进行噪声抑制。

光电探测器设计报告

光电探测器设计报告 设计人: 摘要:本报告主要叙述本小组设计的基于光电效应的、可用于探测入射光频率的光电探测器的设计原理、设计过程和所期望实现的功能, 以及对此设计产品性能的估计。 一、设计原理 比电效应是我们从中学就开始接触并且学习的知识,原理十分简单,但却有巨人的用处。因此,我们选择这个我们熟知的知识作为基本原理,在它的基础上完成我们所设想的功能。 1.光电效应及其规律 由于我们对光电效应己经有了较为深入的了解,所以对其发现历史不再赘述,这里只叙述一下基本的4条规律。 /I 1可變電源 (1) 每一种金属在产生光电效应时都存在一个极限频率(或称截ll:频率),即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称作极限波长(或称红限波长)。当入射光的频率低于极限频率时,无论多强的光都无法使电子逸出。 (2) 光电效应中产生的光电子的速度和动能与光的频率有关,而与光强无关。反应初动能的是截止电压即初动能为 1 , Ehn = =叫

(3)光电效应的瞬时性。实验发现.即儿乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过lnso (4)入射光的强度只影响光电流的强弱,即只影响在单位时间单位面枳内逸出的光电子数冃。在光颜色不变的情况2入射光越强,饱和电流越人,即一定颜色的光,入射光越强, 一定时间内发射的电子数目越多。 2.爱因斯坦光电效应方程 光子能量E = hv?逸出功为W,则由能量守恒町以得到 hv = - mVm + W 乙 实验中 eU a = = hv — W 乙 整理公式即可得到 W e v = T + h Ua 这就是我们想要探测的入射光频率。 二、设计思路 在我们做过许多次的实验电路图中,只要调节町变电源,使得电流表示数为零(即光电流为零),电压表所测得的电压就是我们需要的截止电压了。 但是,电源的调节是于?动的,我们希望自己的产品是自动测量的。因此,我们可以将町变的直流电源变成-个交变电源,总有一个瞬间的电压可以使光电流为零,这时的电压就是我们所需要的截止电压。只需要添加某种电路,使其能够识别光电流为零并且及时做出反应, 触发其他的某些电路或若元件,使其及时记录并且显示截止电压和利用公式计算出的入射光频率即可。 三、设计过程和产品结构 1.总体构想 依据我们的设计思路,我们还需要使用数字电路课程和模拟电路课程中学过的知识。 (1)基本光电效应电路。包含光电符和交变电压源。 (2)施密特触发器电路。由于施密特触发器町以对正弦波做出整形和转换,町以用來检测比电流并且做出反应触发其他电路。 (3)模数转换器。把截止电压的模拟信号转换成数字信号。 (4)模拟运算器。用來将截止电压转换成频率。 (5)译码、显示电路。用來显示截止电压和入射比频率给使用者。 (6)复位、清零按钮。发出清零脉冲使电路复位。 以F是我们此次设计产品的原理图:

半导体光电探测器的原理及其应用(精)

半导体光电探测器 摘要:本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的工作原理及其特性,最后阐述了光电导探测器与光伏探测器的区别。 关键词:半导体光电探测器,光电系统,光电导探测器,光伏探测器 引言 光电探测器是一种受光器件,具有光电变换功能。光敏器件的种类繁多,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN结型、PIN结型及异质结型的等。由于光电探测器的响应速度快,体积小,暗电流小,使之在光纤通讯系统、光纤测试系统、光纤传感器、光隔离器、彩电光纤传输、电视图象传输、快速光源的光探测器、微弱光信号的探测、激光测距仪的接收器件、高压电路中的光电测量及光电互感器、计算机数据传输、光电自动控制及光测量等方面得到了广泛应用。 半导体光电探测器是用半导体材料制作的能接收和探测光辐射的器件。光照射到器件的光敏区时,它就能将光信号转变成电信号,是一种光电转换功能的测光元件。它在国防和工农业生产中有着重要和广泛的应用。 半导体光电探测器可分为光电导型和光伏型两种。光电导型是指各种半导体光电导管,即光敏电阻;光伏型包括光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等。本文首先介绍了光电系统的组成,然后分别介绍其工作原理及其特性,最后将这两类探测器进行比较。 一、光电子系统的组成 现代光电子系统非常复杂,但它的基本组成可用图l来说明:待传送信号经过编码器编码后加到调制器上去调制光源发出的光,被调制后的光由发射光学系统发送出去.发射光学系统又称为发射天线,因为光波是一种电磁波,发射光学系统所起的作用和无线电发射天线所起的作用完全相同.发送出去的光信号经过传输介质,如大气等,到达接收端.由接收光学系统或接收天线将光聚焦到光电探测器上,光电过长距离传输后会衰减,使接收到的信号一般很弱,因此需要用前置放大器将其放大,然后进行解码,还原成发送端原始的待传送信号,最后由终端显示器显示出来. 图1-1光电子系统图 二、半导体探测器的原理 1、光电导探测器 光电导探测器主要是通过电阴值的变化来检测,以下我将以光敏电阻为例介绍其工作原理。光敏电阻又称光导管, 它没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也

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