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1、 课 程 设 计 说 明 书题目：光电二极管信号调理电路设计 学院（系）：年级专业：学 号：学生姓名：指导教师：教师职称：课程设计（论文）任务书院（系）： 基层教学单位: 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；工作计划周一，查阅资料；周二到周四，理论设计及计算机仿真；周五，撰写设计说
2、明书；参考资料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。年 月 日 1 目录第1章 摘要4第2章 引言4第3章 课题解析4第4章 设计思想及步骤54.1总体设计54.2分部设计54.2.1光电转化器64.2.2前置放大电路84.2.3低通滤波电路13第5章 电路图仿真13 5.1元器件接线图13 5.2波形图14心得体会15参考文献15第1章 摘要光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存
3、、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。 第2章 引言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
4、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，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结设计出一种实用的前置放大电路。第3章 课题解析要求：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
5、信号幅值为02.5V。解析：根据以往学习的测控电路知识和模电等知识，光电二极管的微弱电流检测电路及其噪声滤波电路设计总体把握就是将微弱的光信号转换成可以识别清楚的较大电压变化，利于后续工作分析。首先，处理的第一个问题就是如何将光照转换成电流。根据光电二极管型号不同，选取合适元件可以满足条件。其次，就是将小电流放大。想法是添加放大电路，计算出题目要求值和测量值之间的关系，得出增益。然而随之问题就来了。实际实施中的困难在于放大电路电阻等噪声的干扰，其直接微小来源将最终导致电压的波动，使测量结果误差很大，因此噪声减小是必须考虑的一个课题。于是得到下一个想法：滤波。第三，考虑到上述情况，噪声频率往往比
6、较高而信号频率相较比较低，于是选择低通滤波器，使低频信号通过，而高频噪声滤除。综上所述，设计任务一共分为三部分：转换、放大、滤波。各种器件型号选择以低噪声、抗干扰为准。第4章 设计思想及步骤4.1 总体设计光电探测器所接收到的信号非常微弱，输出的信号往往被深埋在噪声之中。因此，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉。要对这样的微弱信号进行处理并将微弱信号放大到后续处理，需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适并已滤除掉大部分噪声的待检测信号器要求的电压幅度。因此，大体上将光电检测滤波电路分为以下三个部分，各部分如下： 光电检测电路模块结构图1.光电转换器 功能：将照射的光能
7、转换成能检测的微弱变化电流信号。2.前置放大电路 功能：将微弱的电流信号放大到足够识别的电压信号，使之满足要求的的0到2.5v电压信号。3.滤波电路 功能：滤除前部分转换电路的噪声，使测量结果满足条件。4.2 分部设计4.2.1光电转换器半导体材料对光的吸收遵从如下指数规律: (1)(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的光功率;而是在距离x中吸收的光功率。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： (2)光照下,光电二极管 PN 结的伏安特性为: (3)上式中, 为P N 结的反向饱和电流,为包括
8、外电压和光电压的实际结电压;为玻尔兹曼常数,为工作温度。由式 (3) 可得以为参量的伏安特性曲线 ： 光电二极管伏安特性曲线从图中可以看出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,器件要以近似以短路方式工作,其输出电流为： (4)这时，只要满足（4）式前部分远小于,那么器件将趋于理想短路条件有： (5)其中为量子效率，q为电荷量。得短路电流与入射光功率成正比，并且不受工作温度的影响。光电二极管型号参数表2DU（A）型、方型光通有效面积1mm*1.3mm参数中心暗电流环电流光电流灵敏度响应时间结电容正向压降单位 条件型号在1000LX照度下入射光波长测试频率
9、正向电流2DU1A0.136 0.423102DU2A0.10.33106 0.423102DU3A0.31.010306 0.42310根据情况选取型号为2DU1A的光电二极管，面积为在1000lx光照下光电流为6，灵敏度,响应时间s ,结电容。4.2.2前置放大电路图中光电二极管对入射光响应电流是Is,随后，运算放大器将这个电流转化成电压Vo。信号增益As=Vo/Is 和噪声增益 An=eno/eni。上并联一个电容，易得电路截止频率p= A A 选取低噪OP放大器AD797A,带入实际光电二极管电流范围和输出电压范围02.5v，计算得放大器信号增益为=417计算噪声转折频率（见下图）由p
10、=得 放大电路噪声分析光电检测系统的噪声来自两个方面：系统外部干扰噪声和内部噪声，主要分析内部热噪声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。电压均方值取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽，其关系式为 (6) 式中：K为波尔兹曼常数；T为材料的绝对温度；为光电检测电路中的总电阻随频率的变化关系，纯电阻时，与频率无关，则 (7)当时，,电阻的热噪声电压和热噪声电流的均方值分别为 (8) (9)式中：为噪声等效带宽。由式(8)和式(9)可以看出，和与、及有关，电阻是主要的热噪源，在不变时，减少和的值可有效减少热噪声。室温下，对于的电阻，如果电路的放大倍数为，则
11、输出的热噪声电压有效值在电路通频带时，为 (10) (11)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 (12) (13)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、暗电流及背景光电流的平均值。若只考虑光电流，令，则散粒噪声电流,电压为。由式(12)和式(13)可知，散粒噪声电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。 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方值为 (14) (15)当时，经前置放大后的噪声电压为 (16)若直流光电流约为6A，则光电转换信噪比SNR为4.2.3 低通KRC滤波器根据电路图有： 化简合并令得： 品质因素: 取单位增益K=1，列出各元件值如下 于是化简得： 取m=1，得，所以有各电阻电容取值如下：参数取值： 第5章 电路图仿真5.1元
