光电检测.docx

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光电检测

第1章概述

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。

如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图像测量等。

光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，他具有如下特点：

（1）高精度。

光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。

如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。

（2）高速度。

光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

（3）远距离、大量程。

光是最便于远距离粗寒痹的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。

（4）非接触测量。

光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。

（5）寿命长。

在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，可以永久的使用。

（6）具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。

用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，，易于与计算机连接，易于实现只能化。

光电测试技术是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术之一。

本课题的前景与意义

随着社会科学技术的迅速发展，人们对报警器的性能提出了越来越高的要求。

传统的报警器通常采用触摸式、开关报警器等。

这类报警器具有性能稳定、实用性强等特点，但是也具有应用范围窄等缺点。

而且安全性能也不是很好。

光电报警就很好的改善了这些方面。

如今，光电报警器已经广泛应用到工农业生产、自动化仪表、医疗电子设备等领域本实验的设计借助于模拟电路和数字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强。

电路简单容易实现，工作稳定，因此得到了广泛的应用。

与传统的报警器相比较，光电报警器可应用的范围更加地广泛,报警器分为机械式报警器和电子报警器。

经常应用于系统故障安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域光电式传感器是将光信号转换成电信号的光敏器件，它可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。

光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。

设计思路框架

图1.1电路整体框图

第2章设计原理与思路

ZH-3集成电路

ZH-3集成电路内包括恒流源、电平跟随器及发光二极管驱动电路。

ZH-3是一块主要用于照相机,曝光表及光度计等作电测光用的集成电路.它包含了输入偏置恒流源,电平跟随器及三状态LED显示驱动电路等功能.具有工作电压低,功耗小,输出电流大,能与CMOS,TTL电路直接接口,灵敏度可调及外围电路简单等特点。

光敏三极管

1.光敏三极管的结构

光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，它在结构上与普通半导体三极管类似，光敏三极管的结构如图2.2.1所示。

因光敏三极管无须电参量控制，所以一般没有基极引出线，只有集电极C和发射极e两个引脚，而且外形和光敏二极管极为相似，很难区别开，需认真看清管壳外缘标注的型号，以免混淆。

为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。

和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜的金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。

图2.1光敏三极管的结构图2.2光敏三极管电路图

2.光敏三极管的工作原理

以接受光的信号而将其变换为电气信号为目的而制成之晶体管称为光敏三极管。

光敏三极管与二极管不同的是有两个背对相接的PN结。

与普通三极管相似的是，它也有电流增益，光敏三极管一般在基极开放状态使用（外部导线有两条线的情形比较多），而将电压施加至射极、集极之两个端子，以便将逆偏压施至集极接合部。

在此状态下，光线入射于基极之表面时，受到反偏压之基极、集电极间即有光电流（Iλ）流过，发射极接地之晶体管的情形也一样，电流以晶体管之电流放大率（hfe）被放大而成为流至外部端子之光电流（Ic），为便于了解起见，请参照图2.2.2所示。

电流再经过次段之晶体管的电流放大率被放大，其结果流至外部导线之光电流即为初段之基极、集极间所流过之光电流与初段及后段之晶体管的电流放大率三者之积。

3.光敏三极管的作用

光敏三极管的另一个作用是传输信号，光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。

光耦合器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

光耦合器一般由三部分组成：

光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。

在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

第3章具体设计方案

光电信号放大电路设计

运放交流放大电路设计

双电源运放同相交流电压放大电路如图3.1.1所示。

R2，Rf为输入端提供电流通路，C1、C2、C3为隔直电容。

该电路交流放大倍数为

Auf=1+Rf/R1

其中R2接地，是为了保证在静态时，放大器输出端直流电位为零。

该电路的输入电阻Rid=R2

R2取值范围为几十千欧。

因取值太大会产生较大的噪声电压，也不能太低，因Rid太低，放大器从信号源获得输入电压过低。

C1、C3为耦合电容，由放大器下限截至频率fL决定，由下式估算：

C1=C3=（3-10）/2πRLfLC2为反馈支路隔直电容，一般取几微法。

图3.1同相交流放大电路

光敏三极管等效电路设计

工作于光伏方式下的光敏三极管的工作模型如图3.2所示,它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的三极管、结电容和寄生串联及并联电阻。

图中,IL为三极管的漏电流;ISC为三极管的电流;RPD为寄生电阻;CPD为光敏三极管的寄生由于工作于该光伏方式下的光敏三极管上没有压降,故为零偏置。

在这种方式中,影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD,它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。

CPD是由光敏三极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。

耗尽层越窄,结电容的值越大。

相反,较宽的耗尽层（如PIN光敏三极管）会表现出较宽的频谱响应。

硅三极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。

而光敏三极管的寄生电阻RPD（也称作“分流”电阻或“暗”电阻）,则与光敏三极管的偏置有关。

与光伏电压方式相反,光导方式中的光敏三极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。

当此电压加至光检测器件时,耗尽层的宽度会增加,从而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工作,然而,线性度和失调误差尚未最优化。

这个问题的折衷设计将增加三极管的漏电流IL和线性误差电容;EPD为噪声源;RS为串联电阻。

图3.2光敏三极管工作模型

3.2整体电路图

图3.2.1是测光器的电路原理图。

电路中使用CdS光敏电阻作为测光元件，电路使用ZH-3测光专用集成电路，采用3只发光二极管作为显示元件。

ZH-3集成电路内包括恒流源、电平跟随器及发光二极管驱动电路。

IC内的恒流源主要用来向CdS光敏电阻提供偏置，使CdS光敏电阻两端产生一定的输入电压，由于CdS

光敏电阻的阻值随光照亮度而变化，故电平跟随器的输入电压和输出电压也随光照的强弱发生变化。

当光照亮度在合适范围时，UA输出端为高电平，UB端为低电平，由门l～门3组成的三态显示驱动器中的门2输出为低电平，发光二极管VD3亮，表示亮度合适。

而此时的门1和门3均输出高电平，故发光二极管VD2和VD1均不亮。

当亮度过弱时，UA输出低电平，UB也为低电平，此时只有门1输出低电平，使发光二极管VD2亮，VD3和VDl均熄灭，表示亮度太弱。

如果光照亮度太强，则UA输出高电平，UB也为高电平；门3输出低电平，发光二极管VD1亮，VD2和VD3均熄灭，表示亮度太强。

图3.3整体电路图

第4章安装与调试

元器件的选择

采用国际电接收三极管（PIN）GT101,由PIN光敏三极管的技术性能可知,其响应度为0.5μA/μW。

外接元器件选择，根据输入电阻要求，取R2=R1=20千欧。

根据平衡电阻选取公式，有R2=RRP=Rf1//R1及AU1=1+Rf1/R1=10,取R1=22千欧，Rf1=200千欧。

第三级放大电路为反相放大器，取R3=10千欧，则根据Au2=-Rf2/R3,可得Rf2=1兆欧，根据平衡电阻概念有R4=9.99千欧。

取标称值10千欧。

C1=0.48-1.6uF,C2=1-3.2uF,C3=4.8-16Uf分别取标称值C1=C2=4.7uF,C3=22UF,耐压值25V电容。

对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在1分贝以下。

我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑：

1）微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的fT一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在0.5dB左右，工作频率高端可达到6GHz。

2）微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围,一般要求放大器工作增益大于10dB以上,当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于ZXPCS大基站项目由于最大输入信号小于-44dBm，考虑到放大器13dB左右增益，我们选取了ATF34143场效应管它的增益可达15dB，OIP3为30dBm左右。

电路连接

将已经检测准确的元器件按照电路图连接起来，以达到实验要求，在焊接过程中要小心谨慎，因为很多元件都特别微小并容易损坏，所以一定要轻拿轻放，烙铁的最高温度是260度，浸焊时间不超过5秒，浸焊位置至少离胶体2毫米。

一般对于低噪声放大器采用高Q值的电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生附加的热噪声，放大器的输入端应尽量避免直接连接到偏置电阻上。

用于低噪声放大器的印制板应具有损耗小，易于加工，性质稳定的特点，材料的物理和电气性能均匀（特别是介电常数和厚度），同时对材料的表面光洁度有一定要求，通常我们可以采用以FR-4（介电常数4~5之间），为基片的板材，如电路要求较高可采用以氧化铝陶瓷等材料为基片的微波板材，在PCB布板中则要考虑到邻近相关电路的影响，注意滤波、接地和外电路干扰问题设计中要满足电磁兼容设计原则。

第5章结论

与队友的合作更是一件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。

本次课程设计虽然结束了，也留下了很多遗憾，因为由于时间的紧缺和许多课业的繁忙，并没有做到最好，但是，最起码我们没有放弃，它是我们的骄傲！

相信以后我们会以更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。

我们的激情永远不会结束，相反，我们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。

只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有更多的成功和快乐！

这是一次综合性的课程设计，本设计针对光敏三极管光电信号放大设计了放大电路电路。

在老师很的指导下，我通过分析光敏三极管的光电转换特性及光电转换输入电路的特点及运算放大器的工作原理，设计出了满足一定电输（UO=5V）的交流光电信号检测放大器。

这次课程设计使我对光敏三极管的特性及光电信号放大电路有了更深刻的认识。

同时我了解了光电检测技术的最新成果，明确了光电检测的发展方向。

在此我要感谢老师对我的指导和帮助。

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