光电二极管检测电路的组成及工作原理

光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管检测电路的组成及工作原理

光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。

本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步(本文未作讨论)是制作实验模拟板。

1 光检测电路的基本组成和工作原理

设计一个精密的光检测电路最常用的方法

是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入

放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种

方式的单电源电路示于图1中。

在该电路中,光电二极管工作于光致电压

(零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之

产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。

图中的放大系统将电流转换为电压,即

V OUT = I SC×R F(1)

图1 单电源光电二极管检测电路

式(1)中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/(2p R F C RF)。

用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。

此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2p R F C RF),即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。

遗憾的是,如果不考虑稳定性和噪声等问题,这种简单的方案通常是注定要失败的。例如,系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出,更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题,输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。

实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声,根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。

这种电路中有三个设计变量需要考虑分析,它们是:光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管,虽然它具有良好的光响应特性,但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外,光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化,会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差,运放应该具有一个较小的输入偏置电流(例如CMOS工艺)。此外,输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后,R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。

2 光检测电路的SPICE模型

2.1 光电二极管的SPICE模型

一个光电二极管有两种工作方

式:光致电压和光致电导,它们各有

优缺点。在这两种方式中,光照射到

二极管上产生的电流I SC方向与通常

的正偏二极管正常工作时的方向相

图2 非理想的光电二极管模型反,即从负极到正极。

光电二极管的工作模型示于图2

中,它由一个被辐射光激发的电流

源、理想的二极管、结电容和寄生的

串联及并联电阻组成。

当光照射到光电二极管上时,电流便产生了,不同二极管在不同环境中产生的电流I SC、具有的C PD、R PD值以及图中放大器输出电压为0~5V所需的电阻R F值均不同,例如SD-020-12-001硅光电二极管,在正常直射阳光(1000fc[英尺-烛光])时,I SC=30m A、C PD=50pF、R

=1000MW 、R F=167kW ;睛朗白天(100fc)时,I SC = 3m A、C PD=50pF、R PD= 1000 PD

MW 、R F=1.67MW ;桌上室内光(1.167fc)时,I SC=35nA、C PD=50pF、R PD=1000MW 、R F=142.9MW 。可见光照不同时,I SC有显著变化,而C PD、R PD基本不变。

工作于光致电压方式下的光电二极管上没有压降,即为零偏置。在这种方式中,为了光灵敏度及线性度,二极管被应用到最大限度,并适用于精密应用领域。影响电路性能的关键寄生元件为C PD和R PD,它们会影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。

结电容C PD是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的。耗尽层窄,结电容的值大。相反,较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约从20或25pF到几千pF以上。结电容对稳定性、带宽和噪声等性能产生的重要影响将在下面讨论。

在光电二极管的数据手册中,寄生电阻R PD也称作“分流”电阻或“暗”电阻。该电阻与光电二极管零偏或正偏有关。在室温下,该电阻的典型值可超过100MW 。对于大多数应用,该电阻的影响可被忽略。

分流电阻R PD是主要的噪声源,这种噪声在图2中示为e PD。R PD产生的噪声称作散粒噪声(热噪声),是由于载流子热运动产生的。

二极管的第二个寄生电阻R S称为串联电阻,其典型值从10W 到1000W 。由于此电阻值很小,它仅对电路的频率响应有影响。光电二极管的漏电流I L是引发误差的第四个因素。如果放大器的失调电压为零,这种误差很小。

与光致电压方式相反,光致电导方式中的光电二极管具有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器上时,耗尽层的宽度会增加,从而大幅度地减小寄生电容C PD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作,然而,线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流I L和线性误差。

下面将集中讨论光致电压方式下的光电二极管的应用领域。

2.2 运放的SPICE模型

运算放大器具有范围较宽的技术指标及

性能参数,它对光检测电路的稳定性和噪声

性能影响很少。其主要参数示于图3的模

型中,它包括一个噪声源电压、每个输入端

的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容

及与频率有关的开环增益。

图3 非理想的运放模型输入差分电容C DIFF和输入共模电容

C CM是直接影响电路稳定性和噪声性能的

寄生电容。这些寄生电容在数据手册中通

常规定为典型值,基本不随时间和温度变

化。

另一个涉及到输入性能的是噪声电压,

该参数可模拟为运放同相输入端的噪声

源。此噪声源为放大器产生的所有噪声的

等效值。利用此噪声源可建立放大器的全

部频谱模型,包括1/f噪声或闪烁噪声以及

宽带噪声。讨论中假设采用CMOS输入放

大器,则输入电流噪声的影响可忽略不计。

当运行SPICE噪声模拟程序时,必须使用一个独立的交流电压源或电流源。为了模拟放大器的输入噪声RTI,一个独立的电压源V IN应加在放大器的同相输入端。另外,电路中的反馈电阻保持较低值(100W ),以便在评估中不影响系统噪声。

图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益A OL(jw ),典型情况下,在传输函数中该响应特性至少有两个极点,该特性用于确定电路的稳定性。

在这个应用电路中,对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围。一般而言,输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值,而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压以下0.3V的共模范围。由于同相输入端接地,此类性能非常适合于本应用领域。当放大器对地的负载电阻为小于R F /10时,则单电源放大器的输出摆幅可最优化。如果采用这种方法,最坏情况下放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的0.5%。

SPICE宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数。一个放大器宏模型会具有适当的开环增益频率响应、输入共模范围和不那么理想的输出摆幅范围。表1中列出了本文使用的三个放大器宏模型的特性。

光电二极管和放大器的寄生元件对电路的影响可容易地用SPICE模拟加以说明。例如,在理想情况下,可以通过使用I SC的方波函数和观察输出响应来进行模拟。

2.3 反馈元件模型

本应用中应该考虑的第三个即最后一个变量

是放大器的反馈系统。图4示出一个反馈网络模型。

在图4中,分离的反馈电阻R F也有一个噪声成分e RF和一个寄生电容C RF。

寄生电容C RF为电阻R F及与电路板/接线板相关的电容。此电容的典型值为0.5pF到

图4 图1所示系统反馈电路的

寄生元件模型

1.0pF。

C F是反馈网络模型中包含的第2个分离元

件,用于稳定电路。

表1 本文提到的运放宏模型特性

将三个子模型(光电二极管、运放和反馈网络)组合起来可组成光检测电路的系统模型。如图5所示。

3 系统模型的相互影响和系统稳

定性分析

当光电二极管配置为光致电

压工作方式时,图5所示的系统模

型可用来定性分析系统的稳定

性。

这个系统模型的SPICE能模

拟光电二极管检测电路的频率及

噪声响应。尤其是在进入硬件实

验以前,通过模拟手段可以容易

图5 标准光检测电路的系统模型

地验证并设计出良好的系统稳定

性。该过程是评估系统的传输函

数、确定影响系统稳定性的关键

变量并作相应调整的过程。

该系统的传输函数为

(2)

式(2)中,A OL(jw )是放大器在频率范围内的开环增益。b 是系统反馈系数,等于1/(1 +Z F/Z IN)。1/b 也称作系统的噪声增益。

Z IN是输入阻抗,等于R PD//1/[jw (C PD+C CM+ C DIFF)];Z F是反馈阻抗,等于R F//1/[jw (C +C F)]。

RF

通过补偿A OL(jw )′b 的相位可确定系统的稳定性,这可凭经验用A OL(jw )和1/b

的Bode图来实现。图6中的各图说明了这个概念。

开环增益频率响应和反馈系数的倒数(1/b )之间的闭合斜率必须小于或等于-20dB/1 0倍频程。图6中(a)、(c)表示稳定系统,(b)、(d)表示不稳定系统。在(a)中,放大器的开环增益(A OL(jw ))以零dB随频率变化并很快变化到斜率为-20dB/10倍频程。尽管未在图中显示,但这个变化是由开环增益响应的一个极点导致的,并伴随着相位的变化,

在极点以前开始以10倍频程变化。即在极点的10倍频程处,相移约为0°。在极点发生的频率处,相移为-45°。当斜率随着频率变化,到第二个极点时开环增益响应变化至-40dB/ 10倍频程。并再次伴随着相位的变化。第3个以零点响应出现,并且开环增益响应返回至-20dB/10倍频程的斜率。

图6 确定系统稳定性的Bode图

在同一个图中,1/b 曲线以零dB开始随频率变化。1/b 随着频率的增加保持平滑,直到曲线末尾有一个极点产生,曲线便开始衰减20dB/10倍频程。

图(a)中令人感兴趣的一点就是A OL(jw )曲线和1/b 曲线的交点。两条曲线交点的斜率示出了系统的相位容限,也预示着系统的稳定性。在图中,交点斜率为-20dB/10倍频程。在这种情况下,放大器将提供-90°的相移,而反馈系数则提供零度相移。相移和系统的稳定性均由两条曲线的交点决定。1/b 相移和A OL(jw )相移相加,系统的相移为-90°,容限为90°。从理论上说,如果相位容限大于零度,系统是稳定的。但实际应用中相位容限至少应有45°才能使系统稳定。

在图6的(c)中,A OL(jw )曲线和1/b 曲线的交点表示一个在一定程度上稳定的系统。此点A OL(jw )曲线正以-20dB/10倍频程的斜率变化,而1/b 曲线正从20dB/10倍频程的斜率转换到0dB/10倍频程的斜率。A OL(jw )曲线的相移为-90°。1/b 曲线的相移则为-45°。将这两个相移相加后,总的相移为-135°,即相位容限为45°。虽然该系统看上去较稳定,即相位容限大于0°,但是电路不可能像计算或模拟那样理想化,因为电路板存在着寄生电容和电感。结果,具有这样大小的相位容限,这个系统只能是“一定程度上的稳定”。

图6中(b)、(d)均为不稳定系统。在(b)图中,A OL(jw )以-20dB/10倍频程的斜率变化。1/b 则以+20dB/10倍频程的斜率变化。这两条曲线的闭合斜率为40dB/10倍频程,表示相移为-180°,相位容限为0°。

在(d)图中,A OL(jw )以-40dB/10倍频程的斜率变化。而1/b 以0dB/10倍频程的斜率变化。两条曲线的闭合斜率为-40dB/10倍频程,表示相移为-180°。

通过模拟可表明使用非理想的光电二极管和运放模型会造成相当数量的振铃或不稳定因素。在频率域内重新进行这种模拟会很快重现这种不稳定因素。

系统的不稳定性可用两种方法校正:(1)增加一个反馈电容C F;(2)改进放大器,使其具有差分A OL频率响应或差分输入电容。

改变反馈电容。系统中影响噪声增益1/b 频率响应的有光电二极管的寄生电容、运放的输入电容,其阻抗以Z IN表示,放大器反馈环路的寄生元件,其阻抗以Z F表示。

Z IN= R PD//1/[ jw (C PD+C CM+C DIFF)]

Z F= R F//1/ [jw (C RF+C F)] (3)

1/b = 1+Z F/Z IN

噪声增益1/b 曲线的极点、零

点如图7所示。开环增益频率响应

和反馈系数的倒数1/b 间的闭合

斜率必须小于或等于20dB/10倍

频程。

在图7中,极零点频率如下:

f P1=1/(2p (R PD//R F)

(C PD+C CM+C DIFF+C F+ C RF))

f P2 =1/(2p R S C PD)

f Z=1/(2p R F(C F+C RF))(4)

图7 噪声增益1/b 曲线的极零点图

从式(4)中容易地看出,加大C F将降低f P1,并降低高频增益[1+(C PD+C CM+C DIFF)/(C F+ C RF)]。

1/b 网络的极点设计成1/b 与放大器的开环增益曲线相交的那一点。此时频率就是这两条曲线的几何平均值。C F可计算如下

(5)

式(5)中f U是放大器的增益带宽积。此时,系统具有45°的总相位容限,阶跃响应将呈现25%的过冲。对于使用MCP601放大器的电路,C F的值将为

这种最佳的计算结果是建立在假设放大器参数如带宽或输入电容以及反馈电阻值没有改变,二极管的寄生电容也无改变基础上的。

较保守的计算方法C F的取值为

(6)

此时系统的相位容限将为65°,而阶跃函数的过冲是5%。用式(6),C F的值将为

这种保守的方法会轻微增加系统噪声。上述两种结果均可用模拟程序#7~#10分别对表1中的MCP601和OPAMP#2进行模拟。

4 噪声分析及其减小

系统的噪声性能是通过计算或模拟而推导出来的,它涉及到频率响应中五个区域的噪声和反馈电阻噪声。这五个区域如图8所示。图8中将整个响应分成五个区域便可容易地计算出噪声电压。每个区域内的总噪声等于系统增益(1/b )乘以放大器噪声的均方根值。R 的噪声不乘系统增益。

F

该系统的噪声电压完整计算如下

(7)

式中e2N是指定频率范围内的平方

累积噪声,(N=1,2,……5)。

尽管这些计算看来较冗长,但还是图8 系统噪声

相当有指导意义的。计算结果将得出

总的系统噪声并指出有问题的区域。

系统噪声的累积均方根值也可用

SPICE模拟。其X轴为频率(Hz),Y

轴是从直流到指定频率的累积噪声电

压(V)。

一个SPICE噪声模拟需要一个独

立的交流电压源或电流源。此时电路

的输出噪声(RTO)可被模拟。在这

个模拟中,X轴为频率(Hz),Y轴为噪

声的累积均方根值V RMS。在运行模拟

程序之前,应确保已经键入了用户想

采用的反馈电容值。

采用MCP601放大器模拟系统的累积噪声,结果显示噪声主要发生在较高的频率处。增加C F的值或减少R F的值可容易地降低整个系统的噪声。

另一个降低噪声的方法是减小放大器的带宽。这可从模拟“运放#2”中观察到。在运行模拟程序之前,要保证已键入了用户想采用的反馈电容值。

采用“运放#2”模拟系统的累积噪声显示了所希望的结果,但是,光电二极管输入信号的带宽却由于放大器的带宽限制而大大减小。在某些应用领域,这可能是不可折衷的。为了降低噪声,这个电路输出端可减小的其它参数是光电二极管的寄生电容C PD和运放的输入电容C C 和C DIFF。

M

在光电二极管前置放大器电路中,允许的最大噪声是多少?作为一种参考,工作在5V输入范围的12位系统具有相当于1.22mV的LSB。而同样输入电压范围的16位系统的LSB则为76.29m V。

5 结论

本文特别关注了与标准光检测电路有关的稳定性和噪声问题。电路工作原理为如何较好地解决设计问题提供了思路。而模拟则用于验证理论,它说明如何才能设计出一个低噪声又充分稳定的电路方案。设计中的可变参数是光电二极管、运算放大器和反馈网络。选择光电二极管主要是因为其良好的光响应特性。但是,它的寄生电容会对噪声增益和电路的稳定性产生影响。选择运放是由于其小的输入偏置电流和带宽。此外,放大器产生的噪声也是一个重要的指标。最后,反馈网络也影响系统的信号带宽和噪声幅度。

一旦理论和模拟相互吻合,设计过程中最后且最重要的一步就是制作实验模拟板。

PIN二极管结构及工作原理

一、PIN二极管的结构 PIN二极管的基本结构有两种,即平面的结构和台面的结构,如图2所示。对于Si-pin133结二极管,其中I层的载流子浓度很低(约为10cm数量级)电阻率很高、(约为k-cm数量级),厚度W一般较厚(在10~200m 之间);I层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高。 平面结构和台面结构的I层都可以采用外延技术来制作,高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作(通过腐蚀或者挖槽来实现)。台面结构的优点是: ①去掉了平面结的弯曲部分,改善了表面击穿电压; ②减小了边缘电容和电感,有利于提高工作频率。 图2 PIN二极管的两种结构 二、PIN二极管在不同偏置下的工作状态 1、正偏下 PIN二极管加正向电压时,P区和N区的多子会注入到I区,并在I区复合。当注入载流子和复合载流子相等时,电流I达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低,所以当PIN二极管正向偏置时,呈低阻特性。正向偏压越大,注入I层的电流就越大,I层载流子越多,使得其电阻越小。图3是正偏下的等效电路图,可以看出其等效为一个很小的电阻,阻值在0.1Ω和10Ω之间。

图3 正向偏压下PIN二极管的等效电路图 正向偏压电流与正向阻抗特性曲线图 2、零偏下 当PIN二极管两端不加电压时,由于实际的I层含有少量的P型杂质,所以在IN交界面处,I区的空穴向N区扩散,N区的电子向I区扩散,然后形成空间电荷区。由于I区杂质浓度相比N区很低,多以耗尽区几乎全部在I区内。在PI交界面,由于存在浓度差(P区空穴浓度远远大于I区),也会发生扩散运动,但是其影响相对于IN交界面小的多,可以忽略不计。所以当零偏时,I区由于存在耗尽区而使得PIN二极管呈现高阻状态。 3、反偏下 反偏情况跟零偏时很类似,所不同的是内建电场会得到加强,其效果是使IN结的空间电荷区变宽,且主要是向I区扩展。此时的PIN二极管可以等效为电阻加电容,其电阻是剩下的本征区电阻,而电容是耗尽区的势垒电容。图4是反偏下PIN二极管的等效电路图,可以看出电阻范围在1Ω到100Ω之间,电容范围在0.1pF到10pF之间。当反向偏压过大,使得耗尽区充满整个I区,此时会发生I区穿通,此时PIN管不能正常工作了。 图4 反向偏压下PIN二极管的等效电路图和反向偏压电流与反向电容特性曲线 三、PIN二极管作为射频开关 3.1 工作原理

光电对管 长脚

TCRT5000(L) Document Number 83760Rev. 1.6, 04-Sep-06 Vishay Semiconductors https://www.360docs.net/doc/389674799.html, 1 Reflective Optical Sensor with Transistor Output Description The TCRT5000 and TCRT500L are reflective sensors which include an infrared emitter and phototransistor in a leaded package which blocks visible light. The package includes two mounting clips. TCRT5000L is the long lead version. Features ?Package type: Leaded ?Detector type: Phototransistor ?Dimensions:L 10.2 mm x W 5.8 mm x H 7.0 mm ?Peak operating distance: 2.5 mm ?Operating range: 0.2 mm to 15 mm ?Typical output current under test: I C = 1 mA ?Daylight blocking filter ?Emitter wavelength 950 nm ?Lead (Pb)-free soldering released ?Lead (Pb)-free component in accordance to RoHS 2002/95/EC and WEEE 2002/96/EC Applications ?Position sensor for shaft encoder ?Detection of reflective material such as paper, IBM cards, magnetic tapes etc. ?Limit switch for mechanical motions in VCR ?General purpose - wherever the space is limited Order Instructions Absolute Maximum Ratings T amb = 25°C, unless otherwise specified Input (Emitter) Part Number Remarks Minimum Order Quantity TCRT5000 3.5 mm lead length 4500 pcs, 50 pcs/tube TCRT5000L 15 mm lead length 2400 pcs, 48 pcs/tube Parameter T est condition Symbol Value Unit Reverse voltage V R 5V Forward current I F 60mA Forward surge current t p ≤ 10 μs I FSM 3A Power dissipation T amb ≤ 25 °C P V 100mW Junction temperature T j 100 °C

基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析

基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析 发表时间:2017-03-09T11:18:47.780Z 来源:《电力设备》2017年第1期作者:王风敏 [导读] 在光电检测电路设计时,应该尽可能地减小噪声,从而提升系统的检测分辨率和信噪比。 (池州学院安徽池州 247100) 摘要:噪声是目前影响光电检测电路检测性能的重要因素,在光电检测电路设计时,应该尽可能地减小噪声,从而提升系统的检测分辨率和信噪比。为此,本文就对基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声进行了分析,首先简单介绍了光电二极管检测电路,然后对基于光电二极管反偏的光电检测电路设计进行了分析,随后探讨了光电检测电路的噪声,最后提出了光电检测电路的总噪声及低噪声的设计原则,旨在为低噪声光电检测电路的设计提供帮助。 关键字:噪声;光电检测电路;光电二极管;反偏 引言 现如今,光电检测技术已经被广泛地应用于诸多领域,从理论的角度分析而言,利用光电检测电路能够将任何存在光辐射信号地方的信号检测出来。然而,在实际检测过程中,经光电二极管转换的光电信号是非常微弱的,经常出现被检测信号被噪声淹没的情况,严重影响的光电检测电路的检测能力。因此,对光电检测电路的噪声进行分析具有非常重要的意义。 1.光电二极管检测电路 1.1光电二极管工作原理 光电二极管主要是利用半导体通过光电效应实现光信号到电信号的转换。受热运动的影响,耗尽层两侧没有电场的中性区域内有一些以扩散运动方式的空穴与光生电子进入到耗尽层,然后受电场的作用形成扩散电流,且方向与漂移电流相一致。光生电流为扩散电流分量与漂移电流分量的总和。所以,当N层和P层的连接电路打开时,在它们的两端会产生一定的电动势,而该效应则被称之为光电效应。当P 层与N层的连接电路出现闭合时,N区的过剩电子与P区的空穴电流会相互流动,从而形成一种光生电流。光生电流会随着入射光的变化而进行线性改变,从而实现光信号到电信号的转变。 1.2低噪声光电检测线路设计的意义 通常情况下,通过光电二极管转换而得到的光电信号是较为微弱的,且在光电信号的检测极易受到噪声的干扰。实际情况表明,当通过光电来检测相关线路时,其中光电转换器件的前置放大电路噪声往往会对整个系统产生较为严重的影响,因此,要想提升系统的检测分辨率和信噪比,在设计光电检测电路时,必须尽量地降低噪声。 1.3噪声的实用性分析 通过分析光电检测电路中噪声产生的原因,并对其噪声特点进行分析,并针对电路设计过程中有可能出现的所有问题,尽可能地降低电路噪声,从而确保西戎检测分辨率与信噪比的提高。现如今,诸多领域中都涉及到了微弱光信号的检测,当然检测方法也是各式各样的,但就实际应用效果来看,一部分常用检测方法的灵敏度不是很高,在工作中往往无法满足相关要求,而利用光电技术对微弱信号进行检测,具有较高的精度和稳定性。 2.基于光电二极管反偏的光电检测电路设计 光电二极管的工作状态在光电检测电路中存在反偏、无偏、正偏三种。当光电二极管处于反偏状态时,在反偏偏压的作用下,光生截流子的运动会加快,与其它两种状态相比较而言,所产生的光电流更大,更有利于弱光条件下的检测。本文所研究的基于光电二极管反偏的光电检测电路的设计思路为:首先采用光电二极管连接反向高压,对微弱光信号进行探测,实现光信号到电流信号的转换;然后,再利用三极管实现电信号的流压转换;最后,再通过运算放大器来放大电压,从而完成对弱光信号检测。光电检测电路中的所有期器件都不可避免会产生相应的噪声,从而对整个电路的噪声输出产生不良的影响,下面本文就电路的噪声进行进一步分析。 3.光电检测电路的噪声 3.1光电二极管的噪声 (1)热噪声。热噪声指的是导电材料两端因其中截流子的不规则热运动而产生涨落的电流或电压,并且电流或电压的涨落是随机的。材料的噪声等效带宽、电阻及温度是决定材料热噪声电压的主要因素,其中电阻是主要的热噪声源,在电阻不变的情况下,减少温度及噪声等效带宽能够使热噪声得到有效地减少。 (2)散粒噪声。散粒噪声是指导电材料中由于光生截流子流动与形成密度的涨落而产生的噪声,散粒噪声电流和电压均方值取决于通过光电二极管的电流和噪声带宽,并且散粒噪声电压与电流的均方值与电流及噪声带宽呈正比例关系,减少电流和噪声带宽能够使散粒噪声得到有效地降低。在光电检测电路中,散粒噪声电流与热噪声电流是相互独立的,总电流的均方值为散粒噪声电流均方值与热噪声电流均方值之和。 3.2三极管的噪声 三极管的噪声主要取决于工作电流、发射结阻抗以及基区电阻等参数,光电检测电路设计时,应该选用噪声系数较小的三极管,同时,在对负载电阻的阻值进行确定时,需要对噪声与三极管静态放大倍数之间的关系进行充分地考虑,从而实现电路设计优化。 3.3运算放大器的噪声 光电检测电路中的运算放大器是由电容、电阻、晶体管等集成的,其中电阻和晶体管分别会产生相应的热噪声和散粒噪声。运算放大器的输出噪声电压与其自身的增益、带宽、模型以及反馈电阻等因素有关。在光电检测电路设计时,其它需求条件都满足的情况下,运算放大器应尽可能地选用小的,同时放大倍数确定后,对电路阻值进行调整时,应尽可能地减少反馈电阻的阻值,从而实现电路噪声的减少。 4.光电检测电路的总噪声及低噪声的设计 通过上文分析,我们不难得出光电检测电路主要包括光电二极管、三极管流压转换以及运算放大器三个模块,在对整个电路的噪声进行分析时,必须对这三部分进行级联。除与电路器件自身相关之外,光电检测电路的输出噪声电压还与其它众多因素相关联。(1)从理论的角度来看,三极管的负载电阻与其静态增益的并联值越小,电路噪声越小,越有利于检测,然而随着负载电阻与静态增益的减小,输出信号也在随之变小。因此,在实际条件过程中,应该首先尽可能地满足负载电阻的值,然后再结合负载电阻对静态增益进行调节。(2)从

肖特二极管的工作原理是什么.doc

肖特二极管的工作原理是什么 SBD是肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。 肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右,而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。中、小功率肖特基整流二极管大多采用封装形式。 肖特基二极管是贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子,贵金属中仅有极少量的自由电子,所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然,金属A中没有空穴,也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A,B表面电子浓度逐渐降低,表面电中性被破坏,于是就形成势垒,其电场方向为B→A。但在该电场作用之下,A中的电子也会产生从A→B的漂移运动,从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡,便形成了肖特基势垒。 典型的肖特基二极管基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片,在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻档层。用二氧化硅(SiO2)来消除边缘区域的电场,提高管子的耐压值。N型基片具有很小的通态电阻,其掺杂浓度较H-层要高100%倍。在基片下边形成N+阴极层,其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数,N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒,当在肖特基势垒两端加上正向偏压(阳极金属接电源正极,N型基片接电源负极)时,肖特基势垒层变窄,其内阻变小;反之,若在肖特基势垒两端加上反向偏压时,肖特基势垒层则变宽,其内阻变大。 综上所述,肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别通常将PN结整流管称作结整流管,而把金属-半导管整流管叫作肖特基整流管,近年来,采用硅平面工艺制造的铝硅肖特基二极管也已问世,这不仅可节省贵金属,大幅度降低成本,还改善了参数的一致性。 肖特基二极管是贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子,贵金属中仅有极少量的自由电子,

PIN光电二极管

PIN光电二极管 1. 工作原理 在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体,就可以增大耗尽区的宽度,达到减小扩散运动的影响,提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低,近乎本征(Intrinsic)半导体,故称I层,因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚,几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体,P层和N层很薄,吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位,这就大大加快了响应速度。 通过插入I层,增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的,但是过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间,反而导致响应变慢,因此耗尽区宽度要合理选择。通过控制耗尽区的宽度可以改变PIN观点二极管的响应速度。 2. PIN光电二极管的主要特性 (1) 截止波长和吸收系数 只有入射光子的能量 PIN型光电二极管 也称PIN结二极管、PIN二极管,在两种半导体之间的PN结,或者半导体与金属之间的结的邻近区域,在P区与N区之间生成I型层,吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。 目录 PIN型光电二极管的结构 PIN结的导电特性 PIN型光电二极管的主要参数 PIN型光电二极管的典型应用

PIN型光电二极管的结构 pin结二极管的基本结构有两种,即平面的结构和台面的结 构,如图1所示。对于Si-pin133结二极管,其中i型层的载流子浓度很低(约为10cm数量级)电阻 率很高、(约为k-cm数量级),厚度W一般较厚(在10~200m 之间);i型层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高(即为重掺杂)。 平面结构和台面结构的i型层都可以采用外延技术来制作,高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作(通过腐蚀或者挖槽来实现)。台面结构的优点是:①去掉了平面结的弯曲部分,改善了表面击穿电压;②减小了边缘电容和电感,有利于提高工作频率。 PIN结的导电特性 pin 结就是在 pin 结的空间电荷区分别在 i 型层两边的界面处,而整个的 i 型层中没有空间电荷,但是存在由两边的空间电荷所产生出来的电场——内建电场,所以 pin 结的势垒区就是整个的 i 型层。 ①基本概念: 众所周知,一般 p-n 结的导电(较大的正向电流以及很小的反向电流)主要是由于少数载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的;扩散区是不存在电场的电中性区。在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快,即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡作用;当然,这种处理也只有在势垒区较薄(小于载流子的平均自由程)时才是允许的。而对于势垒区厚度较大(≈载流子平均自由程)的p-n 结,则就需要考虑载流子在渡越势垒区的过程中所造成的影响,这种影响主要就是将增加一定的产生-复合电流。

硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究_付文羽

第20卷 第5期 许昌师专学报 Vol.20.No.5 2001年9月 JOURNAL OF XUCHANG TE AC HERS C OLLE GE Sep.,2001 文章编号:1000-9949-(2001)05-0019-04 硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究 付文羽,彭世林 (庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000) 摘 要:分析了光电检测时硅光电二极管线性响应及噪声特性,给出了硅光电二极管的线性 度及信噪比公式,并结合噪声E n—I n模型[1],对光电二极管用于光电检测时影响电路信噪比的 因素进行了探讨. 关键词:光电检测;信噪比;噪声模型 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A 0 引言 硅光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光通讯测量中,通常要测量微瓦以下的光信号,就更离不开硅光电二极管.质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达10-8W,分辨率可达10-12W.在许多场合,光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号,其特点是:单一频率或包含着丰富的频率分量的交变信号,当信号很微弱时,由于背景噪声和电路热噪声的影响,还需要对信号进行低噪声处理、放大.因此,在交变光电信号作用下,怎样正确选择硅光电二极管的参数,以获得最小非线性失真信号及信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题. 1 硅光电二极管的基本结构及等效电路 光电二极管是一种光电转换器件,其基本原理是当光照射在P—N结上时,被吸收的光能转变为电能,这是一个吸收过程,与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆.P—N型硅光电二极管是最基本和应用最广的管子.基本结构如图1所示,它是在N型硅单晶片的上表面扩散一薄层P型杂质,形成P+型扩散层.由于扩散,在P+区和N型区形成一个P+N结.P+区是透明的,光子可以通过P+区到达PN结区产生光电子.在N型硅单晶下表面扩散N型杂质以形成高浓度的N+扩散区,以便给金属电极提供良好的电接触.另一种常用的硅光电二极管是P—I—N型硅光电二极管,其结构同P—N型类似.位于P层和N层之间的耗尽层由本征半导体构成,可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容,适合于反向偏压工作.硅光电二极管的等效电路如图2所示,图中I s为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流I p和暗电流I d以及噪声电流I n之和,即: 图1 平面扩散型PN结光电二极管结构图图2 硅光电二极管等效电路 收稿日期:2001-03-19 作者简介:付文羽(1963-),男,甘肃宁县人,庆阳师专物理系讲师,工程硕士,主要从事光电检测与传感技术应用研究.

稳压二极管原理及应用.(DOC)

什么是稳压二极管稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是:,稳压二极管是一种用于稳定电压的单PN结二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。 稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。 稳压管的应用: 1、浪涌保护电路(如图2):稳压管在准确的电压下击穿,这就使得它可作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到,故对于这种应用特别适宜。图中的稳压二极管D是作为过压保护器件。只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通。使继电器J吸合负载RL就与电源分开。 2、电视机里的过压保护电路(如图3):EC是电视机主供电压,当EC电压过高时,D导通,三极管BG导通,其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低电平,通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。 3、电弧抑制电路如图4:在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样)的话,当线圈在导通状态切断时,由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收,所以当开关断开时,开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多,如一些较大功率的电磁吸控制电路就 用到它。

4、串联型稳压电路(如图5):在此电路中。串联稳压管BG的基极被稳压二极管D钳定在13V,那么其发射 极就输出恒定的12V电压了。这个电路在很多场合下都有应用 国产稳压二极管产品的分类 二极管的击穿通常有三种情况,即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。 (1)雪崩击穿 对于掺杂浓度较低的PN结,结较厚,当外加反向电压高到一定数值时,因外电场过强,使PN结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞,将原子电离,产生新的电子空穴对,由于链锁反应的结果,使少数载流子数目急剧增多,反向电流雪崩式地迅速增大,这种现象叫雪崩击穿。雪崩击穿通常发生在高反压、低掺杂的情况下。 (2)齐纳击穿 对于采用高掺杂(即杂质浓度很大)形成的PN结,由于结很薄(如0.04μm)即使外加电压并不高(如4V),就可产生很强的电场(如)将结内共价键中的价电子拉出来,产生大量的电子一空穴对,使反向电流剧增,这种现象叫齐纳击穿(因齐纳研究而得名)。齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。(3)热击穿 在使用二极管的过程中,如由于PN结功耗(反向电流与反向电压之积)过大,使结温升高,电流变大,循环反复的结果,超过PN结的允许功耗,使PN结击穿的现象叫热击穿。热击穿后二极管将发生永久性损坏。

红外对管电路

红外对管 特性简介: 直径:3mm波长:940nm 工作电压:1.2V,工作电流:20mA测量距离: <20cm波段为红外光,受可见光干扰小。 红外对管电路连接图(对不同型号红外对管,可适当调整电阻以达到相关电气参数) 1、AD采样实现避障功能 针对一些红外接收管容易受到可见光的影响,从而改变其阻值,容易造成系统的误判。可以考虑采用上面的电路。100- 100k欧姆,是红外接收管在不同光线条件下(室内一阳光直射)的阻值的大小。在正常的光线下通过IOA0 口A/D采集到一个电压值作为一个参考电压。 当随着光线变化时,IOA0 口读进来的电压值也就发生变化。这个使用通过IOA4、I0A5 I0A6 IOA7依次选通,选择最接近参考值的电压作为判断电压。 该电路可以避免可见光带来的干扰,检测障碍物的距离在0- 15cm。效 果不错。缺点是引用占用IO 口较多,操作较为复杂。 2、直流驱动避障电路 直流驱动红外探测器电路的设计与参数计算电路如图所示。W1和R1及 V1构成简单直流发光二极管驱动电路,调节W1可以改变发光管的发光光强,从而调节探测距离,NE555及其外围元件构成施密特触发器,其触发电平可通过W2 控制,接收管V2和电阻R2构成光电检测电路。通过NE555第3脚输出的TTL 电平可以直接驱动单片机I/O 口。

由于555输出信号为TTL电平,单片机检测方便。缺点同样是容易受可见光干扰。 3、交流调制驱动避障电路 4 ---------- ----- Ju LM567及其外围芯片构成音频检频器,其检频频率fO由R4 C5决定:。其中fO 为检频频率,当R4=10K C5=222时,fO = 41KHz这一振荡信号经过V3扩流后,驱动发光管,这样处理后可以保证发光频率与检频频率严格一致使LM567 的输出仅与光强有关。为进一步提升探测距离,我们还设立了一级交流放大器,其增益约为240倍,虽然这样大的放大倍数放大器的线性和稳定性会较差,但对于频率检测不会造成太大的影响。 4、检测液滴电路 无液滴落下时,接收管与发射管正对,接收管接收到的光强较强,有液滴滴下时,下落中的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的散射作用,导致接收光强的较大改变,接收管接收到的信号经一级施密特触发器,送单片机的中断口,据此就可以正确的探测出液滴的滴落。解决了因液体透明而使得发射不明显的问题。 5、检测液面电路一

课程设计 光电脉搏检测电路设计报告

光电脉搏检测电路设计报告 脉搏波的概述 1.脉搏波的定义 脉搏波是以心脏搏动为动力源, 通过血管系的传导而产生的容积变化和振动现象。当心脏收缩时, 有相当数量的血液进入原已充满血液的主动脉内, 使得该处的弹性管壁被撑开,此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能; 心脏停止收缩时, 扩张了的那部分血管也跟着收缩, 驱使血液向前流动, 结果又使前面血管的管壁跟着扩张, 如此类推。这种过程和波动在弹性介质中的传播有些类似, 因此称为脉搏波(pulse wave) 。 2.脉搏信息 血液在人体内循环流动过程中,经历过心脏的舒张、内脏流量的涨落、血管各端点的阻滞、血管内波的折一反射以及血管壁的黏弹等过程。脉搏波不仅受到心脏状况的影响,同时要受到内环境调控功能器官(脏器) 状态所需血液参数以及系统状态参数等的影响。所以脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。 3.脉搏测量的意义 脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象,包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息,可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势,如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变,而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件,脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现,通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量,血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。 设计目的与意义 ?目的 应用光电式传感器、放大滤波电路组成的脉搏测量电路 通过示波器显示人体指端动脉脉搏信息 ?意义 通过观测到的脉搏的次数、跳动的波形为临床提供部分 诊断价值的信息,为人体某些器脏结构和功能的变换趋势提供生理参考信号 系统设计 1.测量信号的特征

功率二极管结构和工作原理

功率二极管结构和工作原理 功率二极管结构和工作原理 在本征半导体中掺入P型和N型杂质,其交界处就形成了PN结,在PN结的两端引出两个电极,并在外面装上管壳,就成为半导体二极管。如果一杂质半导体和金属形成整流接触,并在两端引出两个电极,则成为肖特基二极管。 二极管的结构和工作原理: PN结的形成及二极管的单向导电性描述如下:如下图1所示,对于一块纯净的半导体,如果它的一侧是P区,另一侧为N区,则在P区和N 区之间形成

一交界面。N区的多子(电子)向P 区运动,P区的多子(空穴)向N区运动,这种由于浓度差异而引起的运动称为"扩散运动”。扩散到P区的电子不断地与空穴复合,同时P 区的空穴向N区扩散,并与N区中的电子复合交界面两侧多子复合的结果就出现了由不能移动的带电离子组成的“空间电荷区”。N区一侧出现正离子区,P区一侧出现负离子区,正负离子在交界面两侧形成一个内电场。这个内电场对多子的扩散运动起阻碍作用的同时,又有利于N 区的少子(空穴)进入P区,P区的少子(电子)进入N区,这种在内电场作用下少子的运动称为"漂移运动”。扩散运动有助于内电场的加强,内电场的加强将阻碍多子的扩散,而有助于少子的漂移,少子漂移运动的加强又将削弱内电场,又有助于多子的扩散,最终扩散运动和漂移运动必在一定

温度下达到动态平衡。即在单位时间内P区扩散到N 区的空穴数量等于由P区漂移到N区的自由电子数量,形成彼此大小相等,方向相反的漂移电流和扩 散电流,交界面的总电流为 零。在动态平衡时,交界面两侧缺少载流子的区 域称为“耗尽层“,这就形成了PN结。 囹!PN结空间电荷区 如图2所示,当PN结处于正偏,即P区接电源正端,N区接电源负端时,外加电场与PN结内电场方向相反,内电场被削弱,耗尽层变宽,打破了PN 结的平衡状态,使扩散占优势。多子形成的扩散电流通过回路形成很大的正向电流,此时PN结呈现的正向电阻很小,称为“正向导逋”。当PN结上流过

光电二极管教程光电二极管术

光电二极管教程 工作原理 结光电二极管是一种基本器件,其功能类似于一个普通的信号二极管,但在结半导体的耗尽区吸收光时,它会产生光电流。光电二极管是一种快速,高线性度的器件,在应用中具有高量子效率,可应用于各种不同的场合。 根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型,它由基本的独立元件组成,这样便于直观了解光电二极管的主要性质,更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。 图1: 光电二极管模型 光电二极管术 响应度 光电二极管的响应度可以定义为给定波长下,产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比: 工作模式(光导模式和光伏模式) 光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。 光导模式

处于光导模式时,有一个外加的偏压,这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的 光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大,响应度增大,结电容变小,响应 度趋向直线。工作在这些条件下容易产生很大的暗电流,但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我 们的DET器件都是反向偏置的,不能工作在正向偏压下。) 光伏模式 光伏模式下,光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制,形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应, 它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时,暗电流最小。 暗电流 暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度 每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电 容, 但也会增加当前暗电流的大小. 当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下 表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。 Material Dark Current Speed Spectral Range Cost Silicon (Si) Low High Speed Visible to NIR Low Germanium (Ge) High Low Speed NIR Low Gallium Phosphide (GaP) Low High Speed UV to Visible Moderate Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Low High Speed NIR Moderate Indium Arsenide Antimonide (InAsSb) High Low Speed NIR to MIR High High High Speed NIR High Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs) High Low Speed NIR to MIR High Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe) 结电容 结电容(C j)是光电二极管的一个重要性质,对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是,结区面积 大的二极管结体积也越大,也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中,结的耗尽区宽度增加,会有效地减小结 电容,增大响应速度。 带宽和响应 负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应,一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆 的同轴电缆。带宽(f BW)和上升时间响应(t r)可以近似用结电容(C j)和负载电阻(R load)表示:

RPR220光电对管

硬件设计 系统总设计电路图如下图,PDF格式,Rrotel99格式。 各部分电路图及说明: 稳压电路:(上部分稳压至12V,下部分稳压至5V)

L298电机控制驱动:可以参考https://www.360docs.net/doc/389674799.html,/read.php?tid=252&page=1&toread=1

电压比较器电路(光电对管检测电路): 可调电阻R3可以调节比较器的门限电压,经示波器观察,输出波形相当规则,可以直接够单片机查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。

实物与分析 电源电路: 由于本系统需要电池供电,我们考虑了如下几种方案为系统供电。 方案1:采用10节1.5V干电池供电,电压达到15V,经7812稳压后给支流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限,使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便,因此,我们放弃了这种方案。 方案2:采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电,经过7812的电压变换后给支流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足,并且可以充电,重复利用,因此,这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵,使用锂电池会大大超出我们的预算,因此,我们放弃了这种方案。 方案3:采用12V蓄电池为直流电机供电,将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大,在小型电动车上使用极为不方便,但由于我们的车体设计时留出了足够的 空间,并且蓄电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。 综上考虑,我们选择了方案3。这个黑呼呼的东西,让我们可爱的小车变得很难看。

光电二极管的工作原理与应用

光电二极管的工作原理与应用 学生:李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师:陈永强 摘要:光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。 关键词:光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率 1、引言 随着科学技术的发展,在信号传输和存储等环节中,越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是,抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管(photodiode)是一种能够将光根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。 2、工作原理 光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管,它与常规二极管结构上基本相似,都具有一个PN结,但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。其基本原理是当光照在二极管上时,被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作在反向电压作用下,只通过微弱的电流(一般小于0.1微安),称为暗电流,有光照时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的电子,使有些电子挣脱共价键,而产生电子-空穴对,称为光生载流子,因为光生载流子的数目是有限的,而光照前多子的数目远大于光生载流子的数目,所以光生载流子对多子的影响是很小的,但少子的数目少有比较大的影响,这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下,于是在反向电压作用下被光生载流子影响而增加的少子参加漂流运动,在P区,光生电子扩散到PN结,如果P区厚度小于电子扩散长度,那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结,在N区也是相同的道理,也因此光电二极管在制作时,PN结的结深很浅,以促使少子的漂移。综上若光的强度越大,反向电流也就越大,这种特性称为光导电,而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电二极管的工作是一个吸收的过程,它将光的变化转换成反向电流的变化,光照产生电流和暗电流的综合就是光电流,因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度,光的强度与光电流成正比,因而就可以把光信号转换成电信号。 图1基本工作原理

光电二极管检测电路的组成及工作原理

光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步(本文未作讨论)是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 (零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F(1) 图1 单电源光电二极管检测电路 式(1)中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/(2p R F C RF)。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2p R F C RF),即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。

稳压二极管工作原理

稳压二极管工作原理 一、稳压二极管原理及特性 一般三极管都是正向导通,反向截止;加在二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力,二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管,它的正向特性与普通二极管相同,而反向特性却比较特殊:当反向电压加到一定程度时,虽然管子呈现击穿状态,通过较大电流,却不损毁,并且这种现象的重复性很好;只要管子处在击穿状态,尽管流过管子的电在变化很大,而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。 稳压管的型号有2CW、2DW 等系列,它的电路符号如图5-17所示。 稳压管的稳压特性,可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。 稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的,因此,稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压,不同类型稳压管的稳定电压也不一

样,某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如:2CW11的稳压值是3.2伏到4.5伏,其中某一只管子的稳压值可能是3.5伏,另一只管子则可能是4,2伏。 在实际应用中,如果选择不到稳压值符合需要的稳压管,可以选用稳压值较低的稳压管,然后串联几只硅二极管“枕垫”,把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0.6~0.7伏的特点来进行稳压的。因此,二极管在电路中必须正向连接,这是与稳压管不同的。 稳压管稳压性能的好坏,可以用它的动态电阻r来表示: 显然,对于同样的电流变化量ΔI,稳压管两端的电压变化量ΔU越小,动态电阻越小,稳压管性能就越好。 稳压管的动态电阻是随工作电流变化的,工作电流越大,动态电阻越小。因此,为使稳压效果好,工作电流要选得合适。工作电流选得大些,可以减小动态电阻,但不能超过管子的最大允许电流(或最大耗散功率)。各种型号管子的工作电流和最大允许电流,可以从手册中查到。 稳压管的稳定性能受温度影响,当温度变化时,它的稳定电压也要发生变化,常用稳定电压的温度系数来表示,这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw= 12伏,温度系数为0.095%℃,说明温度每升高1℃,其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能,往往采用适当的温度补偿措施。在稳定性能要求很高时,需使用具有温度补偿的稳压,如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。 二、稳压二极管稳压电路图 由硅稳压管组成的简单稳压电路如图5- l9(a)所示。硅稳压管DW与负载Rfz,并联,R1为限流电阻。

光电二极管检测电路的工作原理及设计方案

?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SP IC E模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步(本文未作讨论)是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压(零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 VOUT = ISC ×RF (1)

图1 单电源光电二极管检测电路 式(1)中,VOUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;ISC是光电二极管产生的电流,单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/(2p RF CRF)。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序,激励信号源为ISC,输出端电压为VOUT。 此例中,RF的缺省值为1MW ,CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2p RFCRF),即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是,如果不考虑稳定性和噪声等问题,这种简单的方案通常是注定要失败的。例如,系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出,更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题,输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声,根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析,它们是:光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管,虽然它具有良好的光响应特性,但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外,光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化,会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差,运放应该具有一个较小的输入偏置电流(例如CMOS工艺)。此外,输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后,R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型

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