光电信号检测电路设计[深度荟萃]
光电信号检测电路设计共102页
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
光电信号检测电路设计
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
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。
第4章光电信号检测电路1
o
U b1
Ub2
Ub3 Uo 大的偏置电压会引起光电
二极管的反向击穿。
利用图解法确定输入电路的负载电阻和反向偏 置电压大小时，应根据输入光通量的变化范围和输 出信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M，以便 得到不失真的最大电压输出，同时保证反向偏压不 大于器件的最大工作电压Umax。
2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进 行分段折线化，称为折线化伏安特性。
在线段MN有关系：
arctan G0
G0U0 GU0 Smax
O
U0
由此可得：
U0
S max G0 G
或
arctan G
N
Ub U0
arctan GL
0 Ub U
G0
G
S max U0
2、计算负载电阻和偏置电压：
i
为保证最大线性输出 条件，负载线和对应的伏
M I max
图解法的应用：
1、负载电阻的影响分析：
图中给出了Ub不变时， RL的大小对输出信号的影响：
io
RL1 RL2 RL3
RL 2
RL1
RL3 M Q
输入光通量不变时，负
0 载电阻的减小会增大输出信
0 0
号电流，而减小输出电压。
同时负载电阻的减小会受到
最大工作电流和功耗的限制。
5 10
U /V
15
光电倍增管
光电二极管
光电三极管
1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路 的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。
U
I Ub
Ub
io
RL
I
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【摘要】本文主要探讨了光电检测电路的设计与研究。
在引言部分中，介绍了研究背景、研究意义和研究目的。
在对光电检测原理进行了分析，明确了电路设计的要点，详细描述了光电检测电路的实现方法，并对实验结果进行了分析，提出了性能优化的策略。
在对光电检测电路设计进行了总结，并展望了未来的研究方向。
通过本文的研究，可以更好地理解光电检测电路的工作原理与设计方法，为相关领域的研究提供一定的参考和指导。
【关键词】光电检测电路、设计、研究、光电检测原理、电路设计、实现方法、实验结果、性能优化、总结、展望1. 引言1.1 研究背景在过去的研究中，已经有很多关于光电检测电路的设计与优化的研究成果，但仍存在一些问题和挑战。
如何提高光电检测电路的灵敏度和稳定性，如何降低成本和功耗等方面仍有待进一步研究和改进。
本文旨在针对光电检测电路的设计与研究进行探讨，结合现有研究成果，提出一种新的设计思路和方法，以期达到提高光电检测电路性能和降低成本的目的。
通过本文的研究，可以为光电检测技术的发展和应用提供一定的参考和帮助，推动光电检测电路技术的进一步创新和完善。
1.2 研究意义光电检测电路在现代电子技术中具有重要意义。
随着科技的不断发展，光电检测技术在工业生产、医疗影像、环境检测等领域得到了广泛应用。
光电检测电路的设计与研究可以帮助提高检测系统的精度和稳定性，实现更高效的信号处理和数据采集。
光电检测电路设计的意义在于提升系统的灵敏度和响应速度，从而实现对光信号的快速检测和分析。
通过精确设计和优化光电检测电路，能够有效提高系统的性能和稳定性，从而满足不同领域对光信号检测的需求。
光电检测电路的研究还可以推动光电器件的发展和应用。
通过不断改进光电检测电路的设计和实现方法，可以促进光电器件在各种领域的广泛应用，推动光电技术的发展进步。
深入研究光电检测电路的设计与研究具有重要的意义和价值，将对现代电子技术和光电器件的发展产生积极影响。
光电检测发电路设计
伏安特性的分段折线化和微变等效电路 a) 折线化一 b) 折线化二 c) 等效电路
恒流源型光电检测器件的伏安特性 a) 光电倍增管 b) 光电二极管 c) 光电三极管
⑴在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转折 点M。
⑵工作电压加大后曲线逐渐平直。
⑶对于不同的输入光通量，各曲线间近似平行且间距随光通量 增大趋于相等。
这种输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质称恒流源 特性。
⑵空载电压输出
这是一种非线性电压变换状态。此时光 电池应通过高输入阻抗变换器与前级放大 电路连接，相当于输出开路。开路电压可 写成
I I P I S eU UT 1
U
UT
ln
IP
U RL IS
IS
所以开路电压(RL=∞时)可写成
U oc
UT
ln
IP
IS
IS
UT
⑷长期工作的稳定性和可靠性。
缓慢变化的光信号通常采用直流检测电路。
直流检测电路的计算重点在于确定电路的静态工作状态，由 于光电检测器件伏安特性的非线性，一般采用非线性电路的图 解法和分段线性化的解析法来计算。
我们将根据器件伏安特性的性质分作：恒流源型、光伏型和 可变电阻型三种基本类型。
6.1 恒流源型光电检测电路的静态计算
可以定量地描述负载电阻对电路工作状态（I、U、P）的影响：
I I P I s e IRL UT 1
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。
光电信号检测电路
Pno 分子分母同除以Ap，并应用式 Ap Pni 2 2 2 2 Et 4kTRs f Eni En Et2 I n Rs 和
可得：
2 2 2 En In Rs 放大器总的等效输入噪声功率 Eni F 2 1 输入端源电阻噪声功率 Et 4kTRs f 4kTf
3 . 低噪声电路对电源电路的要求
4.5.3 检测器件和放大电路的连接
以光电二极管为例，介绍三种与IC放大器的典型连 接方法： ① 电流放大型 光电二极管处于短路工作状态，输出近似理想的短 路电流，运算放大器处于电流放大状态，要求输入阻 抗非常Zi小 Z R A 1
in f
式中 ：A为放大器开环放大倍 数，Rf为反馈电阻 输出电压：
4.5.2 前置放大器的低噪声设计
在实际多级放大器中，总的噪声系数主要是由第一 级噪声系数F1决定。因此在级联放大器设计中，尽量 提高第一级的功率增益或电压增益，尽量压低第一级 放大器的噪声。 低噪声前置放大器的设计要求及步骤： 1、首先满足放大器间的噪声指标，考虑器件选取 和低噪声工作点的确立。注意满足信号源阻抗与放大 器间的噪声匹配。 2、考虑电路组态、级联方式及负反馈等以满足对 放大器增益、频率响应、输入输出阻抗等方面的要求。 3、为获得良好的噪声性能，通常还要采取避免外 来干扰的多种措施。
对前置放大器的要求：
1、性能上：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够 的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰 能力。 2、结构上：紧凑、靠近检测器件，良好的接地与 屏蔽。 通常要求性能良好的低噪声放大器作为光检测 器件的前置放大器。因此如何设计和应用低噪声放 大器，如何将一定偏置状态下的检测器件与前置放 大器耦合是必须考虑的重要问题。
1. 噪声匹配的方法
光电信号检测电路设计(课堂PPT)
GL（RL） 已知，可得偏置电源电压Ub：
Ub
Smax(GL G0) GL(G0 G)
.
13
(U bU 0)G LG 0U 0 H点：G L ( U b U m a x ) G U m a x S m in M点：G L (U b U 0 ) G U 0 S m a x
.
14
（3）计算输出电压幅度
.
15
（4）计算输出电流幅度
IIm axIm inG L U
IGLUS1G/GL（负载减小，输出电流幅值增大）
通常GL>>G
I S
.
16
（5）计算输出电功率 由功率关系P=U I，得
PGLU2GL(G S GL)2
.
17
光伏型器件光电信号输入电路
伏安特性：一组以入射光功率为参量的曲 线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。
.
21
②根据图解法确定静态工作点Q
.
22
3、根据负载电阻分析光电池工作状态：
负载较小情况下，光通量较低时，光通量与负载上电流、电压近似线性。
.
23
（1）短路或线性电流放大
区域Ⅰ
后续电流放大级作为负载，从光电池中吸取最 大的输出电流，要求负载电阻或者后续放大电 路的输入阻抗尽可能小（输出电流近似短路电 流，大且线性好，噪声电流低，信噪比高，实 用弱信号检测）。
.
7
（a），减小负载（斜率增大），使输出信号电流增大而电压减小。负载的减 小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M进 入非线性区，使信号失真。
（b），增大偏置电压使输出信号电压幅度增大，改善线性度，但功耗随之
增大，且可能使光电二极管反向击穿。 .
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G0
G
Smax
U0
行业特制
11
G0U0 GU0 Smax
行业特制
12
（2）计算负载电阻和偏置电压
为保证最大线性输出条件，负载线和Φmax对应的伏安曲 线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，则
(Ub U0 )GL G0U0
Ub已知，得GL： GL
G0
U0 Ub U0
S max
Ub
(1
行业特制
7
（a），减小负载（斜率增大），使输出信号电流增大而电压减小。负载的 减小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M 进入非线性区，使信号失真。
（b），增大偏置电压使输出信号电压幅度增大，改善线性度，但功耗随之
增大，且可能使光电二极管反向击穿行。业特制
8
2、解析计算法 分段折线化伏安特性
靠性
检测电路设计步骤
电路静态计算 电路动态计算 噪声估算 放大电路设计
行业特制
2
7.1 缓变光信号检测电路设计
缓变信号
直流电路检测
设计重点：静态计算（确定电路的静态工 作状态）
计算方法：图解法、分段线性化解析法
类型
恒流源型光电检测电路的静态计算 光伏型光电检测电路的静态计算 可变电阻型光电检测电路的静态计算
行业特制
4
恒流源型器件光电信号输入电路
恒流源特性：输出电流随器件端电压增大而变化不大。
相应器件：光电管、光电倍增管、工作在反向 偏置电压状态下的光电二极管、光电三极管。 恒流源型光电检测器件的伏安特性
行业特制
5
1、图解计算法
包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的 输入电路进行计算：
U (I ) Ub IRL
Q点为输入电路的静态工作点；当输入光通量改变 时，在负载电阻上会产行生业特变制 化的电压信号输出。 6
图解法特别适用于大信号状态下 的电路分析。例如在大信号检测 情况下可以定性地看出输出信号 的波形畸变。在用作光电开关的 情况下，可以借助图解法合理地 选择电路参数使之能可靠地动作， 同时保证不使器件超过其最大工 作电流、最大工作电压和最大耗 散功率。
第7章 光电信号检测电路
7.1光电检测电路的设计要求
7.2光电信号输入电路的静态计算 7.3光电信号检测电路的动态计算 7.4光电信号检测电路的噪声
7.5前置放大器
7.6光电检测电路举例
行业特制
1
概述
光电检测电路组成
检测对象
(成像系统) 光电器件 输入电路
光源
光信号
前置放大器
对检测电路的要求
灵敏的光电转换能力 快速的动态响应能力 最佳的信号检测能力 长期工作的稳定性和可
转折电压U0---对应于曲线转折点M处的电压值 初始电导G0---非线性区近似直线的初始斜率 结间漏电导G---线性区各平行直线的平均斜率 光电灵敏度S---单位输入光功率所引起的光电流值
行业特制
9
设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则
S Ip /P
线性区内伏安特性可表示为
I f (U , ) Id I p GU S
光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为U=Umax-U0
计算过程：
H点 M点
GL (Ub Umax ) GUmax Smin GL (Ub U0 ) GU0 Smax
联立求解两式，得
U S max min S （负载减小，输出电压幅值减小）
G GL
G GL
行业特制
15
（4）计算输出电流幅度
工作点附近的微小光通量变化？P262（7-4）
行业特制
10
在输入光通量变化范围有限已知的条件下，解 析法的计算步骤如下：
（1）确定线性工作区
由对应最大输入光通量Φmax的伏安特性弯曲处即可 确定转折点M。再确定相应的转折电压U0和初始电 导值G0。
G0U0 GU0 Smax
U0
Smax
G0 G
I I p I0 (eIRL /UT 1) |RL0 Isc S
I S
行业特制
24
行业特制
25
（2）空载电压输出
区域Ⅳ，是一种非线性电压变换状态。此时 光电池通过高输入阻抗变换器与后续放大电 路连接，相当于输出开路。
Uoc
KT q
ln( I p I0
1) UT
ln
Ip I0
UT
ln
器件的端电压和电流的方向相反，对外电 路形成电势，可对负载供电。
包括光电池和工作在光电池状态的光电二 极管。
行业特制
18
行业特制
19
1、光伏型器件输入电路的形式
主要有以下3种形式：
行业特制
20
2、无偏置输入电路的静态计算
①根据等效电路建立回路方程
U IRL
I I p I0 (eU /UT 1) I p I0 (eIRL /UT 1)
G G0
)
S max G0
GL（RL） 已知，可得偏置电源电压Ub：
Ub
Smax (GL G0 ) GL (G0 G)
行业特制
13
(Ub U0 )GL G0U0
H点：GL (Ub Umax ) GUmax Smin M点：GL (Ub U0 ) GU0 Smax
行业特制
14
（3）计算输出电压幅度
I Imax Imin GLU
I
GLU
S 1 G / GL （负载减小，输出电流幅值增大）
通常GL>>G
I S
行业特制
16
（5）计算输出电功率 由功率关系P=U I，得
P
GLU
2
GL
(
S G GL
)2
行业特制
17
光伏型器件光电信号输入电路
伏安特性：一组以入射光功率为参量的曲 线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。
行业特制
21
②根据图解法确定静态工作点Q
行业特制
22
3、根据负载电阻分析光电池工作状态：
负载较小情况下，光通量较低时，光通量与负载上电流、电压ຫໍສະໝຸດ 似线性。行业特制23
（1）短路或线性电流放大
区域Ⅰ
后续电流放大级作为负载，从光电池中吸取最 大的输出电流，要求负载电阻或者后续放大电 路的输入阻抗尽可能小（输出电流近似短路电 流，大且线性好，噪声电流低，信噪比高，实 用弱信号检测）。
S I0
开路电压最大值受势垒高度限制， 通常为0.45—0.6V。
较小的光通量可引起电压输出较大，对弱光检测有利， 尽管线性不好，可用作开关元件
行业特制
26
（3）线性电压输出
区域Ⅱ
在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近 似成正比的信号电压。负载电阻增大有助于 提高输出电压，但增大到一定临界值时，输 出信号将发生非线性畸变。