1、 1电子工程学院课程设计说明书设计题目：光电二极管信号调理电路系 别：年级专业：学 号：学生姓名：指导教师：教师职称：2课程设计（论文）任务书院（系）：电子工程学院 基层教学单位：物理电子工程系 学 号 学生姓名 专业（班级）设计题目 光电二极管信号调理电路设计设计技术参数设计光电二极管的微弱电流检测电路及其噪声滤波电路。自选一款光电二极管，根据其量程，使调理电路输出信号幅值为 02.5V设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：完成电路的 multisim 仿真；工作量1：完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果)2：提交一份电路原理图；工作计划参考资料1：基于运算放大器和集
2、成电路的电路设计2：模拟电子技术3：电路理论4：数字电子技术指导教师签字 基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011 年 月 日 3目录第 1 章 摘要4第 2 章 引言4第 3 章 电路设计与计算53.1 总体设计53.2 部分设计5第 4 章 结论与参考文献134.1 心得体会134.2 参考文献144第 1 章 摘要大多数的光电器件都需要检测与转换电路才能实现光电信号的检测变化，通常光电检测电路由光电检测器件，输入电路和前置放大器组成。其中，光电检测器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节。为了实现对光电信号的精确检测
3、，前置放大及耦合电路是电信号必须要经过的重要环节。输入电路是连接光电器件和前置放大及耦合电路的中间环节。它不仅为光电器件提供正常的电路工作条件，并且同时完成与前置放大及耦合电路的电路匹配。第 2 章 引言光电二极管的微弱电流检测电路及其噪声滤波电路设计，主要是指光电器件输入电路的静态工作点设计等部分内容。它的基本作用是为光电器件提供匹配的电路工作条件，并进行电参量的变换，同时完成前置放大及耦合电路的电路匹配。由于不同的光电二极管拥有不同的特性和技术指标，因此与之相配的输入电路也各不相同，输入电路的设计应根据光电二极管及输入信号的性质、大小及光学和器件的噪声、电平等初始条件，同时考虑输出电平和通
4、频带等技术要求，最终确定电路的连接形式和工作参数光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术和计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术,是获取光信息或借助于光提取其它信息 (如力、温度、声音、电流、生物) 的重要手段。采用光电检测方法就是把调制到光载波上的有用信号解调出来,实现光信号到电信号的转换。因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的,各种噪声的干扰直接影响有用信号的测量精度,这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高响度小的附加噪声、快的响应速率且具有能处理所需要的数据的足够带宽。另外，5与探测器相连的前置放大电路也应当设计合理,以获得大的动态范围和高的信噪比。本文基于这一思想在实验过程中总
5、结设计出一种实用的前置放大电路,这一电路已被应用于高压光纤电流传感器中,并取得了较理想的效果。第 3 章 电路设计与计算一 总体设计光电放大滤波电路总体分三部分，各部分如下：1.光电转换部分功能：将照射的光能转换成能检测的电流信号。2.前置放大部分功能：将微弱的电流信号放大到足够识别的电压信号，如设计要求提出的 0 到 2.5v 电压信号。3.滤波电路功能：除去前部分电阻热噪声干扰，使测量结果精确。二 部分设计1、 光电转换部分半导体材料对光的吸收遵从如下指数规律: (1)()0()2axPxe(1)式中, 是当光的波长为 时的吸收系数; 是入射于光探测器上()a0P6的光功率;而 是在距离
6、x 中吸收的光功率。()P如果耗尽区的宽度为 w ,并考虑到光电二极管的入射面的反射率为 Rf,那么,由于光功率的吸收而产生的平均光电流 由下式给出LI(2)()01)qawLfhvIpeR光照下,P IN 光电二极管 PN 结的伏安特性为:(3)0()qvkTLII(3)式中, 为 P N 结的反向饱和电流, 为包括外电压和光电压的实际0I V结电压; 为玻尔兹曼常数, 为探测器的工作温度。K由式 (3) 可得以 为参量的伏安特性曲线 (如图 1)。从图中可以看出LI光电二极管的反向输出电流与照度成正比。在应用时,要求光伏探测器工作在线性范围内。因此必须保证器件近似以短路方式工作,其输出电流
7、为(4) 1qIRLkToe这时，只要满足（4）式前部分远小于 ,器件趋于理想短路条件7（ 为量子效率）即短路电流 与入射光功率成正比。0qLhvIpI光电二极管型号参数表根据情况选取型号为 2DU1B 的光电二极管，在 1000lx 光照下光电流 20，灵敏度 ,响应时间 s ,结电容 。A0.4A71023pF8光电二极管的光照特性曲线2、前置放大电路部分图中光电二极管对入射光响应电流是 Is,随后运算的放大器将这个电流转化成电压 Vo。信号增益 ： As=Vo/Is 噪声增益 ： An=eno/eni转折频率： p=f12RC带入实际光电二极管电流范围和输出电压范围，计算得放大器9信号增
8、益为 = =125SA2.5/0VK计算噪声转折频率（见下图）由 p= 得f12RC127KHZ 1/(*3.4*)pfkF取频率为 80KHZ 3、 低通 KRC 滤波器部分（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 取决于材料的温度、电阻及噪声等2TU效带宽，其一般关系式为(5) dfRKUfT2142式中：K 为波尔兹曼常数；T 为材料的绝对温度； 为光电检测电路fR中的总电阻随频率 的变化关系，纯电阻时， 与频率无关，则f(6)fKTRU42当 时， ,电阻的热噪声电压 和热噪声电T30J210.TU流 的均方值分别为I(7)
9、fRfKTRU1029.4(8)IT式中： 为噪声等效带宽。由式(3)和式(4)可以看出， 和 与 、f TUIR10及 有关，电阻 是主要的热噪源，在 不变时，减少 和 的值TfRRfT可有效减少热噪声。如在室温下，对于 的电阻，如果电路的放大K30倍数为 1，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带 时，为80fkHZ(9)1TUV(10)0.InA在这种状态下，进行 nw(或 pw)级的测量将很困难。（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 和电流方值 分别为2SU2SI(11)fRq(12)I2S式中：q 为电子电荷量；I 为通过光电二极管
10、的电流平均值，包括光电流、暗电流 及背景光电流的平均值。PD若只考虑光电流，令 ， ，则散粒噪声电流20IA80fkHZ,电压为 。由式(11)和式(12)可知，散粒噪声电0.367SInA5UV流和电压的均方值与 及 I 成正比，减少 和 可有效降低散噪声。 ffI（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 的均NI11方值 为2NI(13)2ST2NII(14)248.7*10TSIIA当 时，经前置放大后的噪声电压 为15fRkNV(15)0.47NfVIRm若直流光电流约为 20A，则光电转换信噪比 SNR 为44208.7*1.30PNIS（4）滤
11、波电路1BARK12OVKVRCs1112/0/iooVs12化简合并令 得：22120(/)wRCw012R品质因素:1212121()/QKCCR取单位增益 K=1，列出各元件值如下 2R21m1n于是化简得：/OLPHV0wnRC1mnQ取 m=1， 得 ，所以有各电阻电容取值如下：06wBWQ14参数取值：21Rk1pF214p304RM4、电路组成光电二极管信号调理电路以及参数如下图所示13第 4 章 结论经仿真后，得出输入输出信号波形如下图：可以看出，所设计的光电二极管信号调理电路在较小误差范围内复合要求14心得体会通过该课程设计，全面系统的理解了光电二极管信号调理电路的一般原理和基本实现方法，把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。把学过的电子各个方面的知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己的设计表示出来，加深了对理论知识的理解；这次课程设计让我基本掌握了一些软件的使用，明白了软件仿真对设计的重要性；这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的顺利完成；这次课程设计让我了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力。在课设中也暴露出了一些问题，我一定要好好改正，争取以后不再出现类似的错误，真正提高自己的技术参考文献1：基于运算放大器和集成电路的电路设计2：模拟电子技术3：电路理论4：数字电子技术15
