光电二极管的低噪声电路设计 百度

大庆石油学院

课程设计

课程光电检测技术

题目基于光电二极管的低噪声电路设计院系电子科学学院

专业班级应用物理

学生姓名

学生学号06090134028

指导教师王立刚

2010年 3 月20 日

目录

第1章概述 (3)

第2章光电二极管工作原理及电路设计原理 (5)

第3章低噪声光电检测电路设计 (8)

第4章安装与调试 (16)

第5章结论 (18)

第1章概述

1.1光电二极管的工作原理的简单概述

光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N

层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。

1.2 基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的意义

经过光电二极管转换的电信号通常都比较微弱，微弱光电信号检测的光电流一般为nA至μA级，检测微弱光电信号很容易受噪声的干扰。若待检测的光信号非常微弱，则对电路的线性和信噪比的要求就非常高。研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器件和前置放大电路的噪声对系统影响比较大。例如，在靶场测试中，弹丸射击密集度是衡量低伸弹道武器性能的一项重要指标。到目前为止，国内靶场用于密集度测量已有多种方法，最先进的方法是采用光电靶进行测量。在设计光电检测电路时，要尽量减少噪声，提高系统的信噪比和检测分辨率。研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器和前置放大电路的噪声对系统的影响比较大，但对噪声源的分析及设计低噪声光电检测电路的论述并不全面。本文分析了基于光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，提出了低噪声光电二极管检测电路的设计原则与设计方法。在测试中，光电靶的灵敏度直接影响整个系统的测量精度，而影响光电靶灵敏度的关键因素就是信号调理电路中放

大电路的放大倍数和信噪比，因此设计性能良好的前置放大电路对整个测试系统有着非常重要的作用。可见良好的低噪声光电检测电路的设计在很多方面都发挥着重要的作用。

1.3 基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的前景展望

通过分析光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，征对设计过程出现的各种问题，提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法。在设计光电检测电路时，要尽量减小噪声，提高系统的信噪比和检测分辩率。微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，应用光电检测技术来检测微弱光信号具有精度高、稳定性好等优点。

第2章光电二极管工作原理及电路设计原理2.1光电二极管的主要工作原理

光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分是一个PN 结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

光电二极管作为一种光伏探测器可以在光伏型（即物外加偏压）和光导型（即外加反向电压）两种工作模式工作。在光导模式下，施加反向偏压后，可以增加光电二极管PN结的耗尽层宽度好和结电场，在耗尽层中产生的电子空穴对由于复合较少，在结区强电场的作用下，不必经过引起复合的扩散过程，就可以对电流作出贡献，显然提高了光电二极管的光电灵敏度。但在这种模式下，由于给光电二极管施加了反向偏置电压，必然存在较大的暗电流，由此会产生较大的噪声电流，通常在光电通信等快速应用中应该使用该模式；而在光伏模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在等效二极管的反偏电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量。下面详细的介绍光电二极管的光伏型工作模式。

2.2 光伏模式检测电路的分析

光电二极管的光伏检测电路及其等效电路如图1。图中P i 是光电二极管接受光辐射后所产生的光电流；S R 是串联电阻，由接触电阻、非耗尽层材料的体电阻所组成，大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，偏压越大，耗尽区越宽，S R 越小，对于大面积的硅光电二极管，S R 的值一般在几欧姆至几十欧姆之间；j C 是光电二极管的结电容，它的大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，可从几千皮法的几千皮法之间变化；d R 是光电二极管的并联电阻，由光电二极管耗尽层电阻和污染引起的漏电阻所组成。它也是所温度的变化而变化，与光电二极管尺寸有关，结面积越小，d R 越大；温度越高，d R 越小。对不同光电二极管d R 的数值变化范围很大，可从几十千欧到上百兆欧；D 为PN 结等效二极管，L R 为负载电阻。

图1 光电二极管的光伏模式和等效电路

在图1中，光电二极管等效电路通过等效二极管D 的电流为

??

?

???-=??

?

???-=1)exp(1)exp(AT U i AkT eU i i D SO

D SO D (1)

A 是有关常数，对于硅光电二极管e kT U 2,A T ==，称为热电压。 由图1可知，流过负载电阻L R 上的电流L i 为

()()d L S L T L S L SO

P RD D P L R R R i AU R R i i i i i i i +-

?

?????-???

???+-=--=1exp (2)

由公式（2）可知光电二极管接受光辐射时输出的负载电流L i 和光生电流P i 并非线

R L

R S

R D

C po

I S

I P

性关系。如果去负载电阻为零，即输出短路的条件下，由于d s R R ，则公式（2）可化简为

??

???

?-???? ??-=1exp T S

L SO

P L AU

R i i i i (3)

如果二极管的反向饱和电流很小，而输出电流不大，即保持T S L AU R i 时，可得

P L i i ≈ (4)

即输出电流接近光生电流，也就是线性好。因此在实际使用光电二极管进行测量时要选取d R 大、s R 小和so i 小的光电二极管，并在输出短路状态下工作。

第3章 低噪声光电检测电路设计

3.1 电路的噪声分析

3.1.1 热噪声

由导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压或电流称

热噪声，热噪声电压均方值2

T U 取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽，其一般

关系式为

()df f R KT

U

f f T

?

=21

42

(5)

式中：K 为波尔兹曼常数；T 为材料的绝对温度；()f R 为光电检测电路中的总电阻随频率f 的变化关系，纯电阻时，()f R 与频率无关，则

f

KTR U T ?=42

(6)

当K T 300=时，J KT 211014.4-?=,电阻的热噪声电压T U 和热噪声电流T I 的均方值分别为

f R f KTR U T ??=?=-101029.14 (7) R f R f KT I T ??=?=-101029.14 (8)

式中：f ?为噪声等效带宽。由式(3)和式(4)可以看出，T U 和T I 与R 、T 及f ?有关，电阻R 是主要的热噪源，在R 不变时，减少f ?和T 的值可有效减少热噪声。如在室温下，对于ΩK 30的电阻，如果电路的放大倍数为1，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带MHZ f 5=?时，为

V 50U T μ= (9) 0.37nA I T = (10)

在这种状态下，进行nw(或pw)级的测量将很困难。

3.1.2 散粒噪声

由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声电压均方值2

S U 和电流方值2

S I 分别为

f RqI I R U S S ?==22

2

(11)

f qI ?=2I 2S (12)

式中：q 为电子电荷量；I 为通过光电二极管的电流平均值，包括光电流P I 、暗电流D I 及背景光电流的平均值。

若只考虑光电流，令A 0.15I D μ=，MHZ f 5=?，则散粒噪声电流nA 0.387I S =,电压为V 11.6U μ=。由式(11)和式(12)可知，散粒噪声电流和电压的均方值与f ?及I 成正比，减少f ?和I 可有效降低散噪声。

3.1.3 总噪声电流的均方值

热噪声电流和散粒噪声电流是相互独立的，则总的噪声电流N I 的均方值2

N I 为

2

S 2T 2N I I I += (13) A 100.54R

U U I 3

-2

S

2

T N μ?=+=

(14)

当Ω=M f 2R 时，经前置放大后的噪声电压N V 为

mV

f

08.1R

I V N N == (15)

若直流光电流约为0.15μA ，则光电转换信噪比SNR 为

278

10

54.015.0SNR 3

=?=

=

-N

P I I (16)

3.1.4 外部噪声

光电检测电路外部噪声包括辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流、背景起伏、杂散光的入射、振动、电源的波动及检测电路所受到的电磁干扰等。这些噪声扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤波片、电气屏蔽、滤波及提高电源的稳定度等措施加以改善或消除。

3.1.5 放大电路的噪声分析

如果光强变化属于缓变过程，可忽略硅光电二极结电容的影响。为进一步分析讨论放大电路对检测系统的噪影响，先画出放大电路噪声等效模型，见图2,

图2 放大电路噪声等效模型

其中2n e 和2n i 分别为运算放大器的均方根输入噪声电压和电流，

2

nRf e 为运算放大器反馈电阻产生的热噪声电压。2n e 和2n i 分别为

f e df e e n f

n n

?==??2

22

(17) f i df i i n f

n n ?==

?

?2

2

2 (18)

式中：2n e 为运算放大器的输入噪声电压密度；2n i 为运算放大器的输入噪声电流密度。

E n

C f

R f

e nR

f 2

i n 2

e n 2

R S

R D

D

I S

运算放大器的噪声电压和噪声电流对组合电路的影响，可视为图2中运算放大器输入噪声电压源和声电流源的作用，它们对于组合电路输出端噪声电压的贡献E n1、E n2分别为

f

f n f n f n C R i fR i R i 2

E 2

22

2

n1=

?=

=

(19) f

f d

n d f n C R R e R fR e 2E 2

2

2

n2=

?= (20)

运算放大器存在失调电压和失调电流，其值随温度漂移，虽然在电路调整时能加以补偿，但是温漂的影响将在电路的输出端产生噪声。失调电压和失调电流的温漂对放大电路输出的贡献ETU 、ETI 分别为

d

f

U TU R tR E ?=

α (21)

f

I TI tR E ?=α (22)

式中：U α为输入失调电压的温漂系数；I α为输入失调电流的温漂系数；Δt 为温度变化。

反馈电阻f R 对输出端噪声的影响为

f

d f d f f nRf C kT R

R R R f kTR E =???

? ???=

4 (23)

以上各种噪声源对光电二极管与运算放大器组合电路总的影响导致电路输出噪声加大，限制了对微弱光强信号的探测。由于各噪声互不相关，其综合影响为单独存在时的均方根值：

2

2222122212TU TI nD nD n n nRf n E E E E E E E E ++++++= (24)

光电二极管信号电流经运算放大器后的输出为

f

f P O SPR

R i E == (25)

故电路组合的信噪比为

2

2

2

22

12

22

12

TU

TI nD nD n n nR f

n

O E E E E E E E SPR

E E N

S f ++++++=

=

(26)

计算出光电检测电路的信噪比，修改光电检测电路的器件参数，以满足设计要求。

3.2 电路参数的选择

无偏压下，光电二极管选为UV-040B 型硅光电二极管，结面积为2

0.81nm ,

500D R M =Ω

，噪声电流155.810

A

-?，15

8.910NEP W -=?，在保证要求的情况下选

择d R 和

j

C 较大的光电二极管，提高信噪比。

采用非常低噪声运算放大器OPA725，因为它具有优良的低偏置电流，低漂移

特性。再室温下，其输入噪声电压密度为1/2

6/nV Hz (100kHz),输入噪声电流密度

为

1/2

2.5/fA H z

（1kHz ）。

选择反馈金属电阻f

R 为2M Ω。

反馈电容选云母电容（聚苯乙烯）1

C 、

2

C 、

3

C 、

4

C 、

5

C 大小与检测光信

号的频率有关。

已知温度变化范围T ?为1C ?，T 为300K ，

231.3810/k J K -=?，19

1.610e C -=?，由

0f f U IR R P

=-=-，当入射光功率P 为1W μ时，可以算出输出信号电压为0.54V ，

等效输出噪声电压约为3mV ，信噪比为90:1，随着P 增加，信噪比也增加。

为了能使光电二极管探测器的输出电压满足模数转换器（ADC ）的要求，即输出电压范围为0~5V ，在实际中，首先测量光信号的最大功率，然后再设计Rf

的值。若给定光信号最大功率为7.5P W μ=，仍选用f R

为2M Ω，可以得到约为

4V 的输出电压。

运算放大器的调0电阻为10k Ω，2个容量为(0.1~0.2)F μ的电容链接在运算放大器的正负电源和地之间，用于滤除电源的波动。

放大器供电电路电源的稳定度为6

5

10

~10

--，其滤波电容选0.2F μ。

R 和C 用来减小噪声频带宽以减小电阻的热噪声。

电流放大型IC 检测电路见图3。光电二极管工作于0偏压，光电二极管和运算放大器的两个输入端同极相连，运算放大器两个输入端间的输入阻抗in Z 是光电二极管的负载电阻，可表示为

/(1)

in f Z R A =+，

式中：A 为放大器的开环放大倍数，

f

R 为反馈电阻。当11

10A =，

2f R M =Ω

Ω

时，

in

Z 很小，可以认为光电二极管处于短路工作状态，能测量出近于理想的短路电流。

处于电流放大状态的运算放大器的输出的电压0U 与输入短路光电流成比例，并有

0SC f f U I R R SP

==

输出信号与输入光功率成正比。此低噪声光电二极管探测器前置放大电路因输入阻抗低而影响速度较高，并且放大器噪声较低，信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中，经适当的参数调整，可检测nA 级的弱光信号。

光电二极管的噪声主要是光转换器件内部电阻及PN 结中载流子随机涨落引起的热噪声和散粒噪声，该噪声与光电二极管，材料，温度及工作电压及外部环境的干扰有关；前置放大器的噪声主要与前置放大器的噪声电压，噪声电流，温度变化及反馈电阻有关；另外还要使其阻抗匹配，供电电源稳定度高，环境温度恒定等。文中设计的低噪声光电二极管检测电路仅从光电二极管，放大器及阻抗方面去降低噪声。在实际电路设计时，不但要选择相应的电器件，还要考虑光信号特点，才能设计出符合要求的低噪声光电检测电路。

图3 光电二极管探测器电路图

电路所选用的光电二极管为2CUGS 型硅光电二极管，其在He-Ne 激光器波长为m μ6328.0处的光电灵敏度（S ）为W A 27.0μμ，响应时间为s μ10，结电容Cj 为12pF ，内阻为MΩ10，光敏面直径为1.2mm 。

采用低噪声运算放大器OP-27GP ，它具有优良的低偏流，低漂移特性。在室温下起参数为：输入噪声电压密度为218.3Hz nV ，输入噪声电流密度为

2

17.1Hz pA ，输入失调电压温漂系数为C

V

0.4O

μ，输入失调电流温漂系数为

C 20O

pA

。

选择反馈电阻Rf 为MΩ1,反馈电容Cf 为F μ1.0。一直温度变化范围t ?为C o 1，T 为300K ，K J k 231038.1-?=，C e 19106.1?=，当入射光功率P 为W 1μ，利用公式（26）以算出：输出信号电压为0.27V ,等效输出噪声电压月为3mV ，信噪比为

1:90，随着信号的增加，信噪比会增加。

为了能使光电二极管探测器的输出电压满足模数转换器（ADC ）的要求，即输出电压范围为0~5V ，在实际中首先测量出光信号的最大功率值，然后再设计R

0.1μF 1M Ω 10k Ω

+15V 0.1μF

Uo

0.1μF

-15V

OP27

f的值，若给定光信号最大功率值为W

=，仍选用Rf的值为1M，可以得到

Pμ

15

约为4V的输出电压，运算放大器的调零电阻大小为Ω

10。两个容量为F

K

μ

1.0的电容连接在运算放大器的正负电源和地之间，用于滤除电源的波动。

第4章安装与调试

4.1器件准备

本次电路设计需要用到的实验器件如下：

（1）单片机AT89S51：AT89S51型单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的8位单片机，功能强大，可以灵活的应用于各种控制领域。

（2）模数转换器ADC0809：ADC0809可处理8路模拟量输入，有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

（3）发光二极管LED：LED体积小、耗电量低，还具有二极管的特性，即逆向偏压时LED不亮，顺向偏压时LED发光。

4.2搭接电路

焊接元器件的时候必须注意不要出现虚焊、漏焊之类的问题。

电路的搭建是在面板上完成的，必须弄清楚面板的内部链接关系，以免造成电路的短路或者断路。在连接电路时，常出现导线虽已插入插孔，但未能与面板内部铁片紧密接触，是电路无法形成通路，从而导致实验现象无法出现。由于电路较为复杂，连线较多，在实际连接时要十分注意导线两侧管脚是否接通。

4.3调试电路

首先调试光电检测电路。调试的重点是运算放大器的调零。先把光电二极管输入光路断开，是检测系统处于无光照条件下，调节电位器，是输出电压为零。然后把光电二极管输入光路接通，光电二极管在光照下产生光电流，光电流经过电流-电压转换器，转换为范围在0~5V之间变化的信号。

然后调试数据采集系统。将汇编程序用计算机软件编译无误后，生成HEX格式文件。用单片机编程器将此文件烧制到AT89S51中。将光电检测到的电压信号输入到ADC0809的INO管脚。电压信号数据采集系统转换为数字量，并送至单片机的P1口的输出数字信号直观的显示出来，表明数据采集系统能够正常工作。

经过以上的调试表明光电检测系统能正常工作。

第5章结论

本文设计了对微弱光信号有理想信噪比的低噪声光电检测电路。光电二极管的噪声主要是光转换器件内部电阻及PN结中载流子随机涨落引起的热噪声和散粒噪声，与光电二极管结构、材料、温度及工作电压及外部环境的干扰有关。前置放大电路的噪声主要与前置放大器的噪声电压、噪声电流、温度变化及反馈电阻有关，还要使其阻抗匹配，供电电源稳定度高，环境温度恒定等。本文设计的低噪声光电二极管检测电路仅从光电二极管、放大器及阻抗匹配方面去降低噪声。为了对较弱的光信号进行精密的检测，本文选择光伏模式下的光电二极管组成光电检测电路。为了提高测量时的线性和信噪比，选取了并联电阻Rd大的硅光电二极管，并使其在输出短路状态下工作。设计中采用了将运算放大器接成电流-电压转换器的办法，并且选择了失调电压和失调电流较低、噪声性能优的集成运算放大器来满足设计要求。分析了运算放大器的噪声电压、噪声电流、失调电压、失调电流和光电二极管的噪声等因素对光电二极管与运算放大器组合电路的影响。综合考虑这些因素设计出了响应快、灵敏度搞、稳定度好、测量线性好、信噪比高的光电检测电路。

参考文献

[1]王立刚.光电检测技术实验指导[M].大庆石油学院，2008.

[2]郭培元杨付.光电检测技术与应用，北京航空航天大学出版社，2006.

[3]刘铁根 .光电检测技术与系统，机械工业出版社。

[4]曾光宇，张志伟，张存林.光电检测技术.北方交通大学出版社，2009.

[5]吕海宝，激光光电检测.国防科技大学出版社，1995.

[6]王清正，胡渝.光电检测技术.电子工业出版社，1994.

[7]童诗白，模拟电子技术基础.高等教育出版社，2000.

大庆石油学院课程设计任务书

课程光电检测技术

题目基于光电二极管的低噪声电路设计

专业应用物理姓名候学亮学号060901340217

主要内容：

通过分析光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法，提高系统的信噪比和检测分辩率。

基本要求：

（1）简述设计的概要。

（2）分析设计原理及框图。

（3）电路设计。

（4）调试安装。

（5）完成课程设计总结报告。

主要参考资料：

[1]王立刚.光电检测技术实验指导[M].大庆石油学院，2008.

[2]郭培元杨付.光电检测技术与应用，北京航空航天大学出版社，2006.

[3]刘铁根 .光电检测技术与系统，机械工业出版社。

[4]曾光宇，张志伟，张存林.光电检测技术.北方交通大学出版社，2009.

[5]吕海宝，激光光电检测.国防科技大学出版社，1995.

[6]王清正，胡渝.光电检测技术.电子工业出版社，1994.

[7]童诗白，模拟电子技术基础.高等教育出版社，2000.

完成期限2010年3月20日

指导教师

专业负责人

2010年3月9日

20