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光电二极管检测电路的作业原理及设计方案

本站为您提供的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

  光电二极管及其相关的前置扩大器是根本物理量和电子量之间的桥梁。许多精细使用领域需求检测光亮度并将之转化为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液剖析仪、烟雾检测器、方位传感器、红外高温计和色谱剖析仪等体系中。在这些电路中,光电二极管发生一个与照明度成份额的弱小电流。而前置扩大器将光电二极管传感器的电流输出信号转化为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个扩大器和一个电阻便能轻易地完结简略的电流至电压的转化,但这种使用电路却提出了一个问题的多个旁边面。为了进一步扩展使用远景,单电源电路还在电路的运转、安稳性及噪声处理方面显现出新的约束。

  本文将剖析并经过模仿验证这种典型使用电路的安稳性及噪声功能。首要评论电路作业原理,然后假如读者有时机的话,能够运转一个SPICE模仿程序,它会很形象地阐明电路原理。以上两步是完结规划进程的开端。第三步也是最重要的一步(本文未作评论)是制造试验模仿板。

  1 光检测电路的根本组成和作业原理

  规划一个精细的光检测电路最常用的办法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入扩大器的输入端和反应环路的电阻之间。这种方法的单电源电路示于图1中。

  在该电路中,光电二极管作业于光致电压(零偏置)方法。光电二极管上的入射光使之发生的电流ISC从负极流至正极,如图中所示。因为CMOS扩大器反相输入端的输入阻抗十分高,二极管发生的电流将流过反应电阻RF。输出电压会跟着电阻RF两头的压降而改动。

  图中的扩大体系将电流转化为电压,即

  VOUT = ISC &TImes;RF (1)

  

  图1 单电源光电二极管检测电路

  式(1)中,VOUT是运算扩大器输出端的电压,单位为V;ISC是光电二极管发生的电流,单位为A;RF是扩大器电路中的反应电阻,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可在必定频率规模内模仿从光到电压的转化联系。模仿中可选的变量是扩大器的反应元件RF。用这个模仿程序,鼓励信号源为ISC,输出端电压为VOUT。

  此例中,RF的缺省值为1MW ,CRF为0.5pF。抱负的光电二极管模型包含一个二极管和抱负的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2p RFCRF),即318.3kHz。改动RF可在信号频响规模内改动极点。

  惋惜的是,假如不考虑安稳性和噪声等问题,这种简略的计划一般是注定要失利的。例如,体系的阶跃呼应会发生一个其数量难以承受的振铃输出,更坏的状况是电路或许会发生振动。假如处理了体系不安稳的问题,输出呼应或许依然会有足够大的“噪声”而得不到牢靠的成果。

  完结一个安稳的光检测电路从了解电路的变量、剖析整个传输函数和规划一个牢靠的电路计划开端。规划时首要考虑的是为光电二极管呼应挑选适宜的电阻。第二是剖析安稳性。然后应评价体系的安稳性并剖析输出噪声,依据每种使用的要求将之调理到恰当的水平。

  这种电路中有三个规划变量需求考虑剖析,它们是:光电二极管、扩大器和R//C反应网络。首要挑选光电二极管,尽管它具有杰出的光呼应特性,但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和安稳性有极大的影响。别的,光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度规模内改动,会在温度极限时导致不安稳和噪声问题。为了坚持杰出的线性功能及较低的失调差错,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体系的安稳性和全体精度发生晦气的影响。最终,R//C反应网络用于树立电路的增益。该网络也会对电路的安稳性和噪声功能发生影响。

  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作业方法:光致电压和光致电导,它们各有优缺点。在这两种方法中,光照射到二极管上发生的电流ISC方向与一般的正偏二极管正常作业时的方向相反,即从负极到正极。

  光电二极管的作业模型示于图2中,它由一个被辐射光激起的电流源、抱负的二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成。

  

  图2 非抱负的光电二极管模型

  当光照射到光电二极管上时,电流便发生了,不同二极管在不同环境中发生的电流ISC、具有的CPD、RPD值以及图中扩大器输出电压为0~5V所需的电阻RF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,ISC=30m A、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=167kW ;睛朗白日(100fc)时,ISC = 3m A、CPD=50pF、RPD= 1000 MW 、RF=1.67MW ;桌上室内光(1.167fc)时,ISC=35nA、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=142.9MW 。可见光照不一起,ISC有明显改动,而CPD、RPD根本不变。

  作业于光致电压方法下的光电二极管上没有压降,即为零偏置。在这种方法中,为了光灵敏度及线性度,二极管被使用到最大极限,并适用于精细使用领域。影响电路功能的要害寄生元件为CPD和RPD,它们会影响光检测电路的频率安稳性和噪声功能。

  结电容CPD是由光电二极管的P型和N型资料之间的耗尽层宽度发生的。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呼应。硅二极管结电容的数值规模大约从20或25pF到几千pF以上。结电容对安稳性、带宽和噪声等功能发生的重要影响将在下面评论。

  在光电二极管的数据手册中,寄生电阻RPD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越100MW 。关于大多数使用,该电阻的影响可被疏忽。

  分流电阻RPD是首要的噪声源,这种噪声在图2中示为ePD。RPD发生的噪声称作散粒噪声(热噪声),是因为载流子热运动发生的。

  二极管的第二个寄生电阻RS称为串联电阻,其典型值从10W 到1000W 。因为此电阻值很小,它仅对电路的频率呼应有影响。光电二极管的漏电流IL是引发差错的第四个要素。假如扩大器的失调电压为零,这种差错很小。

  与光致电压方法相反,光致电导方法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头。当此电压加至光检测器上时,耗尽层的宽度会添加,然后大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速作业,但是,线性度和失调差错没有最优化。这个问题的折衷规划将添加二极管的漏电流IL和线性差错。

  下面将会集评论光致电压方法下的光电二极管的使用领域。

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