光电探测器前级放大电路设计与研究
关于光电检测电路的设计与研究

关于光电检测电路的设计与研究光电检测电路是一种用于检测光信号的电路,它可以将光信号转换成电信号,常用于光电传感器、光电开关、光电编码器等设备中。
光电检测电路的设计与研究在工业自动化、智能家居等领域有着广泛的应用。
本文将就光电检测电路的设计与研究进行探讨,希望可以对读者有所帮助。
一、光电检测电路的基本原理光电检测电路主要由光电传感器、前置放大电路、滤波电路、比较器等组成。
光电传感器是光电检测电路的核心部件,它能够将光信号转换成电信号。
前置放大电路可以放大光电传感器输出的微弱信号,提高信噪比;滤波电路用于抑制杂音和滤除干扰,提高电路的稳定性;比较器则可以将输出信号与阈值进行比较,判断光信号的强弱。
二、光电检测电路的设计要点1. 选择合适的光电传感器:不同的应用场景需要选择不同类型的光电传感器,比如光电开关需要选择具有高灵敏度、快速响应的传感器;光电编码器需要选择具有较高分辨率、较高信噪比的传感器。
2. 设计合理的前置放大电路:前置放大电路对于提高信噪比至关重要,需要选择合适的放大倍数和合适的放大器类型,同时要考虑电路的稳定性和抗干扰能力。
3. 合理设计滤波电路:滤波电路需要根据应用场景选择合适的滤波器类型,比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器等,以滤除掉不需要的频率成分。
4. 选择合适的比较器:比较器需要选择合适的阈值电压和工作模式,以确保能够准确判断光信号的强弱。
三、光电检测电路的研究现状随着光电技术的不断发展,光电检测电路的研究也在不断深入。
目前,针对不同的应用场景,已经出现了许多高性能的光电检测电路方案,比如针对高速信号检测的差分式光电检测电路、针对低功耗应用的低功耗光电检测电路等。
一些新型的光电传感器技术也在不断涌现,比如基于纳米材料的光电传感器、基于微纳加工技术的集成光电传感器等,这些新型的传感器也为光电检测电路的设计提供了新的思路和可能。
四、光电检测电路的应用展望光电检测电路在工业自动化、智能家居、医疗仪器等领域有着广泛的应用前景。
一种光电探测系统前置放大电路的设计

3 前置放 大器 的设计
光 电探测 器前 级放 大 电路 的设 计 通常从 两方
∞ = [ fC+ C) 2 A R( A f ]
() 2
若杂 散 电容很小 , 《 C, ‘ =A ( 。 CA 则 I ) / RC) : 可见 , 阻放 大器 的带 宽 比一般 高 阻 抗放 大 器 的 跨 带宽 至少展 宽 了 A 倍 , 但是 , 实际 上 A 不 能无 限 制增 大 , 着 A 的增 大 其 中 杂 散 电容 会 随 之 增 随 大 , 且为 了增 大 A 必 须要 增 加 放 大 器 的 级数 , 并 这 样 会增加 附加 相移 , 引起不 稳定 。 同时 , 反馈 电
本文采用较小结电容和较快响应时间的国产 光电接收二极管( I ) D 30 , PN G 3 1Y 其结电容 5p , 0F 暗电流 10 A, 敏 面直 径 8 m, 0n 光 m 响应 时 间 2 n。 5 s 由于探测器在光导形式下工作 , 等效为电流源, 光
第0 第 期 3卷 1
第3 O卷第 1 期 2 1 年 3月 02
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一
种 光 电探 测 系统 前 置 放大 电路 的设计
薛海 英
( 北方通 用 电子 集 团有 限公 司微 电子部 苏州 256 ) 1 13
面着手 :1 设计合适的电路形式。( ) () 2 选择合适 的器件 。 前置放大器的作用是将光电探测器送来的微
弱 电流信号转换为相应 的电压信号, 所以要求前
置放大器有足够小的噪声 、 当的带宽和一定 的 适
光电探测器前置放大电路研究

光电探测器前置放大电路研究在弱光检测中,光电探测器将接收到的光信号变为微弱的电流信号,一般为微安数量级,光电探测器通过放大器将其转变为电压信号,只有经过充分的放大和处理才能被记录下来。
加州理工学院曾对光通信中微弱光信号的检测器使用不同特性的前置放大器,给出了各种比较数据,充分说明前置电路的性能决定整个系统的优良[1]。
前置电路若设计得好,会使探测灵敏度提高,从而更好地进行实验研究;反之,不仅会把输入信号和噪声放大,同时还会混进电子器件本身带来的新噪声,这对于实际实验的影响会非常大。
基于此点,有必要对光电探测器前置电路进行深入研究。
1光电探测器光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件,是光电系统的核心组成部分,在光电系统中的作用是发现信号、测量信号,并为随后的应用提取某些必要的信息。
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关[2],所以在给出性能参数时,要注明有关的工作条件,只有这样,光电探测器才能互换使用。
主要工作条件有:(1辐射源的光谱分布很多光电探测器,特别是光子探测器,其响应是辐射波长的函数,仅对一定波长范围内的辐射有信号输出。
这种称为光谱响应的“信号依赖于辐射波长”的关系,决定了探测器探测特定目标的有效程度。
所以在说明探测器的性能时,一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。
如果辐射源是单色辐射,则需给出辐射波长。
假如辐射源是黑体,就要指明黑体的温度。
当辐射经过调制时,则要说明调制频率。
(2电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能,噪声电压或电流均正比于带宽的平方根,所以在描述探测器的性能时,必须明确通频带和带宽。
(3工作温度许多探测器,特别是用半导体材料制作的探测器,无论是信号还是噪声,都与工作温度有密切关系。
所以必须明确工作温度。
最通用的工作温度是:室温(295K、干冰温度(195K、液氮温度(77K、液氯温度(4.2K以及液氢温度(20.4K。
(4光敏面尺寸探测器的信号和噪声都与光敏面积有关,大部分探光电探测器前置放大电路研究高科,孙晶华(哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:在弱光检测中,光经过光电探测器转换为电信号,此信号极其微弱。
光电探测中低噪声前置放大器的设计_兰羽

Uo 理论值 0V 0.22V0.44V0.66V0.88V 1.10V
Abstract:To detect faint photoelectric signals in photoelectricity detection,this article analyses the causes of the noises from a amplifiers and the best source resistance when an amplifier gains the lowest noises coefficient.It uses the methods of reverse par- allel collection of amplifier and noises-matching with the choices of source components to lower the noises from prepositional am- plifiers.Circuit installation and testing show that the parallel 10inverting amplifier signal to noise ratio increased by 3times.It puts forward how to solve the interference between Passive components and power to an amplifier. Keywords:aprepositional amplifier;noises analysis;the best resource resistance;circuit testing
接地的处理电路由于两接地点间或接地点与大2地回路中的电流使它们形成一定的地间有一定的阻抗电位差从而形成干扰源习惯称为浮地解决的办法是改并联放大器实现噪声匹配32电路调试在万能板上按照图2安装电路电路均采用集成运放第一级由1a7410个放大倍数为11同相放大器并联构成第二级对前级1第二级实际放0支并联输出反相求和
光电转换前置放大电路设计

光电转换前置放大电路设计 探测器是光电转换的核 心器件,能够将接受 到的光强信号转换成电流信号,
在弹光调制光电 转换电路中,采用了美国Thorlabs 公司型号为 FDS02的硅光电二极管,其波长范围为 400 nm~ l 100 nm,灵敏度峰值为0.47 A/w,暗 电流为35 pA~500 pA。图5为光电转换和前置级放 大部 分电路,通过理论分析,电路输出电压为
因此在设计中选用了具有较宽频 带的低噪声放大器 AD8072作为电路的运放。电 容C。:起到相位补偿, 防止电路自激震荡的作用, 抑制了噪声干扰[8。9]。
电转换+R10)/R17]一S×P× R16×[(R1, +R1。)/R17]
式中:S为光电二极管的灵敏度;P为入射光功率。 增大电阻R。。的阻值,可以提高输出电压,但是会 引起上升时间的增加,响应速度下降,设计中取 R。。为1.1 kD,。通过对干涉信号的分析可知,信 号 最大频率与光程差和高压谐振电路的谐振频率呈 正相关,光程差的不断提高使得探测的电信号的 频 率变得极高。
基于APD的光电探测器电路研究与设计

由式(1)和式(4)相加,便得到放大器输入端Af带 宽内总噪声功率密度为:
Jl=Jt2+Jn2=4KT RAf+4KTR
n
cc’2(Co+C-)2Af
在整个频带内积分得:
瑶=IJm(Id/Af)df=
4KT去,。+萼兀2KTR。(Co+CI)2f2(5)
已知范德蔡尔式:
尺。:要.土 gm
o
则:
179
号衰减4 400倍后为4.5肛V,送到被测放大器输入端。 将信号发生器的频率从i0 kHz~3 MHz逐级变化,同
万方数据
刘辉珞:基于APD的光电探测器电路研究与设计 尽量排除各种干扰因素的存在。尽管电路已采取了屏 蔽,而且对噪声发生器和放大器间的连接也采取了短线 近连等措施,但为了排除外界干扰,要使得测量数据更 准确,在测量时间上还是采用了午夜测量。 测量数据选用平均值,将测得的Eni=0.45弘V作 为APD探测器光电信号前置放大器的等效输入噪声。 其结果数据对计算探测器光电信号前置放大器输入信 噪比,以及做APD的有关噪声实验提供了十分重要的
component which is matched with APD by using photoelectric conversion SNR mathematics model.The design method
parts
of combining the preamplifier,which adopts low noise separated
1.8 mV。
=10lg(露u0)=20lg J∞ i
J
2019焉习囊毒霖雨 ∥啄丽√壶+号兀2去‘c。+ci)2詹
2光电探测器电路设计
输出/输入△1.8 mV/4.5弘V=400 3.2光电探测器等效输入噪声的测试 利用噪声发生器法测量前置放大器等效输入噪声。 用自制的简易噪声源电路产生0"--1 V电压为带宽白噪 声。校准噪声源表示成一个与APD内阻R。串联的噪 声发生器,一般取R。=100 kn左右。系统的等效输入 噪声相加为E血,放大器和发生器的噪声测得为E。。
4-3光电探测器的放大电路

Ap1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。
12
由
pn 得: NF 1 AP pni
Pn NF 1 Ap Pni
每个放大器单独和源相连接时,得到:
Pn1 NF1 1 Ap1 Pni Pn 2 NF2 1 Ap 2 Pni Pn3 NF3 1 Ap 3 Pni
Ap为三级放大器的总的功率增益:
Ap Ap1 Ap 2 Ap3
14
所以:
NF1, 2,3
Ap 2 Ap3 Pn1 Ap3 Pn 2 Pn3 Pn 1 1 Ap Pni Ap1 Ap 2 Ap3 Pni
Pn1 Pn 2 Pn3 1 Ap1 Pni Ap1 Ap 2 Pni Ap1 Ap 2 Ap 3 Pni
首先介绍低噪声前放的选用方法 。
20
噪声系数NF是用来描述放大器(或一个器件)噪声性能的
参数,如果一个放大器是理想的无噪声的放大器,那么,它 的噪声系数NF=1,而NF=10 lg(NF)=0(dB)
一个实际的质量好的低噪声前臵放大器其NF值可以做到
0.05dB,甚至更低。
生产厂商在出售低噪声前放时,都附有关的技术资料,其
对于低噪声运放,生产厂家一般会在其产品手册中提供一定 测试条件下的NF-Rs曲线,如下便是两例。
OP-07的NF-Rs曲线
LMC662的NF-Rs曲线
从NF-Rs曲线上可以清楚地看到,在所运用的频率范围下, 源电阻Rs和NF的关系,当源电阻为50KΩ,运用频率为 1KHz时,OP-07的NF约为3dB,而LMC662却为8dB,故这 两者比较应选用OP07。
f0可调的带通滤波器,采用噪声发生器法,或正弦波法,测出不 同Rs和f0条件下的一系列NF值,都标在坐标图上。
光电检测电路的设计及实验研究

光电检测电路的设计及实验研究光电检测电路在多个领域具有广泛的应用,如光学测量、图像处理、环境监测等。
光电检测电路的设计与实验研究在提高检测精度、降低噪声、增加灵敏度等方面具有重要意义。
本文将介绍光电检测电路的设计方法及实验研究,以期为相关领域的研究提供参考。
随着科技的不断发展,光电检测电路的研究也日益受到。
光电检测电路的设计方法多种多样,不同的设计方法对应不同的应用场景。
当前,研究者们主要光电检测电路的精度、灵敏度和稳定性等方面的研究。
在此基础上,本文旨在设计一种高效、稳定的光电检测电路,并对其进行实验研究。
光电检测电路的核心部分是光学系统。
光学系统的设计主要包括光源、光路和光探测器三个部分。
在设计中,应根据实际需求选择合适的光源和光探测器,并通过对光路的优化设计,提高光的利用率和检测精度。
光电检测电路的电路部分主要包括信号处理电路和光电探测器接口电路。
信号处理电路主要对探测器输出的信号进行放大、滤波和数字化处理;光电探测器接口电路则主要实现光信号到电信号的转换。
在设计中,应充分考虑各部分电路的功能和特点,确保整体电路的稳定性和可靠性。
本文采用的光电检测电路实验设备及材料包括:光源、光路组件、光电探测器、信号处理电路板、计算机等。
在实验中,首先对光电检测电路进行组装和调试,确保电路的正常运行。
接着,对电路进行性能测试,包括光源的稳定性、光路的传输效率、光电探测器的响应速度和信号处理电路的精度等。
通过对比不同条件下的实验数据,分析电路的性能表现及误差来源。
实验结果表明,该光电检测电路在光源稳定性、光路传输效率和光电探测器响应速度方面均表现出较好的性能。
同时,信号处理电路通过对探测器输出信号的处理,有效降低了噪声,提高了检测精度。
在实验过程中,发现光电检测电路的性能受到光源强度、光路传输损耗、探测器性能和环境因素等影响。
为了进一步提高电路的性能,可以采取以下措施:优化光学系统设计,提高光源的稳定性和光路的传输效率;选用高性能的光电探测器,提升电路的响应速度和精度;加强电路的噪声抑制能力,提高信号处理电路的稳定性。
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图+
匹配电阻对信号输出的影响
示波器图像纵轴每格代表 "**7$ # 横轴每格代表 +75
在相同的光照度下 # 图 + !3 " 为配置匹配电阻 !"J
!= 的信号输出 & 图 + !< " 为未配置匹配电阻 # 即 !"J*$
可以看出 # 在未配置匹配电阻的情况下 # 不仅前级增 益受到影响 # 而且由于输入端的不匹配而引入了过多 的电流噪声 #使得信号检测受到影响 $ 分析所测数据 # 图 + !3 " 信 号 有 效 值 约 为 =!*7$ # 波 动 噪 声 小 于
!3 " 单一光电路通路 !< " 引入旁路信号
图,
旁路信号对前级输出的影响
示波器图像纵轴每格代表 =**7$ # 横轴每格代表 +75
为原理电路并没有考虑实际情况下的各种干 扰 和 环 境条件 # 当多引入一路信号时 # 必然会引入相应的干 扰$
"’A
其他对精度有影响的因素 为了提供光电探测器精度 # 特 别 是 微 弱 信 号 检
北京 <***=! #
摘要 ! 深亚微米近场飞行头飞行高度测试是近场光存储的关键技术之一 " 为了能精确 测试近场飞高变化 #检测系统需要具有很高灵敏度和分辨力 $ 而前级放大电路设计是检 测系统设计关键 % 本文对光电探测器前级放大电路设计 &讨论 $并进行了实验分析 ’ 提出 了实用化的电路设计形式以及注意事项 " 关键词 ! 前级放大 ’微电流 ’ 光电探测器 ’飞高测试 ’ 近场光存储 中图分类号 !>?@<<A+@ 文献标识码 !B 文章编号 !<**<C<@D)""))+#),C))@"C)@
光电二极管工作于反向偏压下 ! 也可工作于 * 偏 压下 "# 光电路流过负载电阻产生压降为
!"#$%!&$
后级放大器连接 $ 的两端进行电压放大 $
该电路的特点是 % 简单 & 直观 $ 但是为了探测微弱 电流信号 # 常常希望在相同输入下取得大信号电压 # 这就要求负载电阻阻值越大越好 $ 一般而言 # 负载电 阻大小受光电二级管工作线性范围的约束 # 不 能 太 大 ’ 同时高负载电阻与探测器分电容和放大器输入电 容的共同作用 # 将增加电路 $’ 时间常量 #影响系统的 高频响应 # 并使其动态范围减小 $ 为改进系统性能 # 在前级引入运算放大器 # 对图 < 做一些改进 # 设计如图 " 电路 $ 相对于图 <# 图 " 中将负载电阻 $ 变为反馈电阻
!
结
论
本文针对深亚微米近场飞高测量的具体应用 # 论 述了光电探测器基本前级电路设计要点 # 并在实验的 基础上分析了影响探测器精度的因素 $ 深亚微米飞高 测量的光电流波动在几百 8M 量级 # 为达到 87 级别 的飞高分辨率 # 要求前级放大电路为后续各级的处理 电路提供精确可靠的信号电压 $ 经过精心设计 # 前级 放大器将微弱光电流放大 # 输出达到 A**7$ 以上 # 而 噪声波动控制在 +7$ 内 # 为后级的滤波和放大提供 了稳定可靠的前级信号 $ 参 考 文 献
测 #在设计和应用电路时还应注意以下因素 ’ != " 温度补偿 ’ 特别对于雪崩光电二级管 # 通常需 要设置温度补偿电路 $ 在一些情况下还要在专门设计
!3 " 有匹配电阻 !< " 无匹配电阻
前级温度补偿电路 $ !"" 布局布线 ’ 在电路设计中为 了 保 证 为 后 级 提 供可靠稳定的信号 #应按信号流程布局 $ 布线时前 %后 级间不应串绕 #避免大 %小信号间的耦合 $ !A" 工作环境 ’ 在实际工作中电 路 应 在 接 地 屏 蔽 盒内工作 # 避免外界电磁干扰 $
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流$ 在实际应用中 # 常因为信号幅度不同而要求改变 图< 基本前级电路 电路放大倍数 #于是需要改变反馈电阻 $ 这时通常利 用开关切换反馈电阻 $ 如果开关置于光电流的通路 上 #由于需要外部操作 # 容易引入杂散电流的干扰 $ 图 = 电路为解决这一问题对图 "!/ " 做了改进 $ !" " 对于图 = 电路 # 运放输入端不取电流 # 且 两 输 入 端 )虚短 *# 于是流过 $= 的电流为 ( (-"( $!E$= 到% ( !+" !"?! &F@<A$!E$=C@$<A$"CA$!G 在图 = 中 # 可以将开关置于非光电流通路上 # 避 免了对光电流通路的直接干扰 $ 另外 # 式 !!" 表明 # 由 于流过 $= 的电流完全由光电流在 $! 上的压降决定 # 相当于引入另一路 ) 光电流 *(H # 有助于加大放大器的 放大倍数 # 使调节更为灵活 $ 在 !=" 式中 # 为了使得输出电压大 # 必须使反馈电 阻 $< 大 # 而 $< 增 大 会 使 负 反 馈 减 弱 # 影 响 放 大 器 稳 定性 $ 图 ! 为解决上述问题对图 " !/ " 做了另一种改进 # 对于图 " !/ "# 运放输入端不取电流 # 光电 流 ( 流 经 $<&)<&$" 于是输出电压为 ( !<?( @$<A$"B?!&@$<A$"C 由 !="式可知 #输出电压与光通量呈线性关系 $ 对于图 " 电路 # 运算放大器两输入端间输入阻抗 != " 即引入 I 型反馈网络 $ 运放负输入端 ) 虚地 *#于是有 !!" ( ( 可以计算输出电压为 !"?@(.(-C @$<A$"CA( $!# 最终得
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陈张玮 !李玉和 !李庆祥 !王
!清华大学 精密仪器与机械学系 "
亮 !段瑞玲
引 言 检测系统前级放大器的设计对 整 个 系 统 性 能 起 决定性作用 % 在微弱信号探测研究中不仅要进行后级 放大和滤波环节的设计与改善 $ 而且前级信号的精确 设计也非常重要 % 因为在后级电路中 $ 常常有上百倍 甚至千倍的放大设计 $ 在放大信号的同时 $ 也放大了 噪声 % 光电探测器的前级放大设计通常从两方面着手 ! 一是选择合适的器件 ’ 二是设计合适的电路形式 % 本 文针对光电二极管 $ 对于微弱信号 ( 特别是微电流 ) 前 级放大电路设计进行实验分析和讨论 %
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电测与仪表
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