光电检测技能是光学与电子学相结合而发生的一门新式的检测技能。它首要使用电子技能对光学信号进行检测，并进一步传递、贮存、操控、核算和显现。光电检测技能从原理上讲能够检测全部能够影响光量和光特性的非电量。它可经过光学体系把待检测的非电量信息改换成为便于承受的光学信息，然后用光电勘探器材将光学信息量改换成电量，并进一步经过电路扩大、处理，以到达电信号输出的意图。然后选用电子学、信息论、核算机及物理学等办法剖析噪声发生的原因和规则，以便于进行相应的电路改善，更好地研讨被噪声吞没的弱小有用信号的特色与相关性，然后了解非电量的状况。弱小信号检测的意图是从强噪声中提取有用信号，一起进步检测体系输出信号的信噪比。
光电检测电路的根本构成
光电勘探器所接收到的信号一般都非常弱小，并且光勘探器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因而，要对这样的弱小信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将弱小信号扩大到后续处理器所要求的电压起伏。这样，就需求经过前置扩大电路、滤波电路和主扩大电路来输出起伏适宜、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。
光电二极管的作业形式与等效模型
光电二极管的作业形式
光电二极管一般有两种形式作业：零偏置作业和反偏置作业，图2所示是光电二极管的两种形式的偏置电路。图中，在光伏形式时，光电二极管可非常准确的线性作业；而在光导形式时，光电二极管可完结较高的切换速度，但要献身必定的线性。事实上，在反偏置条件下，即便无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声根本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，因为导电发生的散粒噪声成为附加的噪声源。因而，在规划光电二极管电路的过程中，一般是针对光伏或光导两种形式之一进行最优化规划，而不是对两种形式都进行最优化规划。
一般来说，在光电精细丈量中，被测信号都比较弱小，因而，暗电流的影响一般都非常显着。本规划因为所评论的待检测信号也是非常弱小的信号，所以，尽量防止噪声搅扰是首要任务，所以，规划时选用光伏形式。
光电二极管的等效电路模型
作业于光伏办法下的光电二极管的作业模型如图3所示，它包含一个被辐射光激起的电流源、一个抱负的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，IL为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。
因为作业于该光伏办法下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种办法中，影响电路功能的要害寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声功能。CPD是由光电二极管的P型和N型资料间的耗尽层宽度发生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。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在20或25pF到几千 pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作”分流”电阻或”暗”电阻)，则与光电二极管的偏置有关。
与光伏电压办法相反，光导办法中的光电二极管则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材时，耗尽层的宽度会添加，然后大起伏地减小寄生电容CPD的值。寄生%&&&&&%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。
电路规划
主扩大器规划
很多需求检浏的弱小光信号一般都是经过各种传感器来进行非电量的转化，然后使检测目标转变为电量(电流或电压)。因为所测目标本身为弱小量，一起受各种不同传感器灵敏度的约束，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本规划中的光电二极管前置扩大电路首要起到电流通电压的效果，但后续电路一般为A／D转化电路，所需电压幅值一般为2 V。但是，即便是这样，而输出的电压信号一般还需求继续扩大几百倍，因而还需使用主扩大电路。其典型扩大电路如图4所示。
该主扩大器的扩大倍数为A=l＋R2/R3，其间R2为反应电阻。为了后续电路的正常作业，规划时需求设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。即有
滤波器规划
为使电路规划简练并具有杰出的信噪比,规划时还需求用带通滤波器对信号进行处理。为确保丈量的准确性，本规划在前置扩大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除掉有用信号频带以外的噪声，包含环境噪声及由前置扩大器引人的噪声。这儿选用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而按捺该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如图5所示。图5中，f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：B=f2-f1=f0/Q式中，Q为品质因数，Q值越大，则跟着频率的改变，增益衰减越快。这是因为中心频率必守时，Q值越大，所经过的频带越窄，滤波器的挑选性好。 有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算扩大器等有源器材的滤波电路。这种滤波器相关于无源滤波器的特色是体积小、重量轻、价格低、结构结实、能够集成。因为运算扩大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和杰出的稳定性，且构成简略并且功能优秀。本规划选用了去向扩大器来进行规划。
本规划选用了去向扩大器来进行规划。
图6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其滤波电路选用有源滤波器完结，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。
关于榜首部分，即低通滤波器，体系要求的低通截止频率为fc，其传递函数为：
第二部分为高通滤波器，体系要求的高通截止频率为fc，其传递函数如下：
完好的检测电路规划
本光电检测体系规划的完好电路如图7所示。为便利表明，电路中的R2、R3即为前面等效电路模型中的RT、RF。前级部分由光电转化二极管与前级扩大器组成，这也是光电检测电路的中心部分，其器材选用高功能低噪声运算扩大器来完结电路匹配并将光电流通化成电压信号，以完结数倍的扩大。但是，尽管前级扩大倍数能够规划得很大，但因为反应电阻会引进热噪声而约束电路的信噪比，因而前级信号不能无限扩大。
本文小结
本文研讨了光电检测体系的原理和规划办法。经过从经济和有用的视点对相关的光电转化器材和前置扩大器进行了挑选和电路规划，然后确认了要害元器材的参数。实际使用证明：该规划能够满意一般光电检测场合的需求。
