光信号示波器接收头研制的设计毕业设计论文.docx

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光信号示波器接收头研制的设计毕业设计论文

光信号示波器接收头研制的设计

GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity

DesignofLightsignaloscilloscope

receiverdevelopment

摘要

光电传感器是将光转化成电的器件。

由于它的精度高，反应快，在军事、民用电器和工业控制上的应用十分广泛。

本文首先分析了光电传感器的特点、分类和发展现状，提出使用PIN光电二极管的原因，并详细介绍其特点。

在设计要求下，分析实现的方法和途径。

由于PIN光电二极管输出为电流，而示波器显示一般用电压，所以用电流-电压转换电路实现电流到电压的转换。

这样就能实现在示波器上显示光信号了，即达到了目的。

在整个电路中也要考虑放大的问题。

但是在实现电流-电压转换的时候，用的电流-电压反馈电路，我们可以在反馈电阻的使用上达到目的，即在光电二极管的光电流一定的前提下，反馈电阻越大，电压越大。

同时，我们还可以根据示波器本身电压倍数可以调节，来达到放大电路的目的。

任何电路都不能离开电源。

在本设计中，要使用到集成运放CA3140。

我们使用220V-9V的变压器，再利用交流直流转换器，实现交流到直流的转换，并用电容调整波形，最后提供直流电源。

当然，上面所提到的只是设计的思路，我们还需要仿真模拟。

在本设计中，我们使用了电路仿真软件multisim。

在该软件中，我们得到了理想的仿真结果，达到了设计的要求。

关键词：

PIN光电二极管，电流电压转换，multisim仿真软件

ABSTRACT

Theelectro-opticalsensoristhecomponentwhichconvertesthelightintoelectricity.Becauseit’shighlyprecision,respondsquickly,itisextremelywidespreadinthemilitary,thecivilelectricapplianceandtheindustrycontrolapplication.Thisarticlehasfirstanalyzedtheelectro-opticalcharacteristic,theclassificationandthepresentsituationofdevelopment,thenproposedthereasonusingthePINphotodiode,andgavedetailsofitsfeatures.Underthedesignrequest,analysisrealizationmethodandway.BecausethePINphotodiodeoutputsfortheelectriccurrent,buttheoscilloscopedemonstratedgenerallyusesthevoltage,thereforeusesthecurrent-voltageswitchingtransformtheelectriccurrenttothevoltage.Thiswillachievetheoscilloscopeshowingtheopticalsignal,whichistoachieveitspurpose.

Intheentireelectriccircuitalsomustconsidertheproblemofamplification.Butinachievingthecurrent-voltageconversion,withthecurrent-voltagefeedbackcircuitwemayreachthegoalinthefeedbackresistanceusing,namelypremisethephotoelectriccurrentcertainly,thefeedbackresistanceisbigger,thevoltageisgreater.Meanwhile,wecanalsoadjustedoscilloscopeitselfmultiplevoltagetoachievethepurposeamplifier.

Anyelectriccircuitneedsthepowersource.Inthisdesign,integratedoperationalamplifierCA3140needspower.weuse220V-9Vtransformer,ACtoDCconversion,andcapacitanceadjustmentthewave.

Certainly,abovementionedisonlythedesignmentality,wealsoneedthesimulation.Inthisdesign,wehaveusedcircuitsimulationsoftware'multisim'.Inthissoftware,weobtainedtheidealsimulationresult,hasmetthedesignrequirements.

Keywords：

PINphotodiode,Current—voltageconversion

MultisimSimulationSoftware

中文摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

1绪论1

1.1光电传感器1

1.1.1光电传感器的原理1

1.1.2光电传感器的分类1

1.1.3光电传感器的应用和发展现状2

1.2光探测器2

1.3主要工作4

1.4实现途径4

2PIN光电二极管6

2.1光电效应6

2.1.1光电导效应6

2.1.2光伏效应8

2.2PIN光电二极管结构9

2.3PIN光电二极管的主要特性………………………………………………………………10

2.3.1伏安特性2.3PIN光电二极管的主要特性…………………………………………10

2.3.2量子效率η11

2.3.3响应度R011

2.3.4响应速度11

3PIN光电检测电路12

3.1基本电路分析12

3.2噪声分析13

3.2.1散粒噪声14

3.2.2热噪声14

3.3减小噪声的改进电路16

3.4设计PIN光电检测电路的一般原则17

4设计与仿真18

4.1设计的检测电路18

4.2集成运放CA314019

4.3电路的仿真20

4.3.1仿真软件介绍20

4.3.2仿真实验20

5驱动电源的设计24

5.1整流电路的设计24

5.1.1半波整流电路24

5.1.2全波整流电路26

5.1.3桥式整流电路27

5.2电容滤波电路29

5.2.1滤波的基本概念29

5.2.2电容滤波电路30

5.2.3滤波原理30

5.2.4电容滤波电路参数的计算31

6硬件制作与调试32

6.1硬件制作32

6.2硬件调试32

7结束语35

7.1本论文工作总结35

7.2有待完善之处35

参考文献37

1绪论

本设计是本科生教育改革中的前期探索。

在本科生教育开放性实验中，有许多的实验是根据本科生自身的要求和特点展开的。

本设计做的是探测光信号的波形情况，它主要用于在其他实验中，将某信号如电信号转换成光信号的转换效率或失真程度的判定上。

本设计的要求虽然简单，但意义是十分巨大的。

本次毕业设计的任务十分明确：

学习multisim软件，并了解其在电子设计中的使用，掌握基本操作规程。

设计光电接收前置单元并且在multisim中进行模拟仿真。

最终制作硬件系统，调试及改进。

在整个毕业设计中，锻炼了学生解决问题的设计思路，又掌握了一门很好的电子线路仿真和设计的EDA工具软件。

在硬件制作中，锻炼了自身的动手能力和实际解决电子线路板常见问题的能力，这为实际工作奠定了基础。

1.1光电传感器

1.1.1光电传感器的原理

光电传感器又叫光传感器，是将光信号转换为电信号的一种传感器。

敏感波长在可见光（0.38~0.76um）附近，包括红外线光（0.76~1000um）和紫外线光（0.005~0.4um）。

其工作原理是基于一些物质的光电效应。

光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

1.1.2光电传感器的分类

常见的光电传感器有光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电偶合器、颜色传感器、红外光传感器、紫外光传感器、光纤传感器和CCD图象传感器。

我们按光电效应把传感器分为3类：

（1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的外光电效应，如光电管、光电倍增管等；

（2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；（3）在光线作用下物体产生一定方向电动势的光生伏特效应，如光电池等。

在本次设计中，光信号接收头接收的是微弱快速的光信号，在灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求很高，故采用光生伏特型。

常用的光生伏特型有Si光电二极管、PIN光电二极管和APD光电二极管。

由于Si光电二管的光—电转换速度较慢、探测调极制频率较低（光脉冲频率太高时，出现漏掉光脉冲的现象）等缺点；APD光电二极管响应时间极短，即上千兆的响应频率，主要用于红外激光探测。

故我们选用PIN光电二极管。

它是

在P—n结之间加一本征层（I层）。

只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层的宽度，就可使响应波长范围和频率响应得到改善，且本征层对提高器件灵敏度和频率响应起着十分重要的作用。

由于本征层的存在，使载流子渡越时间非常短，响应速度很快，可以检测调制频率较高（109Hz级）的光信号。

1.1.3光电传感器的应用和发展现状

光电式传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等；也可以用于检测能转化成光量变化的其它非电量，如直径、表面粗糙度、应变位移、振动、速度、加速度以及物体形状、工作状态的识别等。

光电传感器，由于反应快、精度好、无接触测量，因此在军事、工业控制和民用电器中的应用十分广泛。

在军事上主要包括：

水下探测、航空监测、核辐射检测等；在工业控制上，能检测零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、以及物体形状、工作状态的识别等；在民事上，其应用更是不胜枚举，如打印机、传真机、色度计、医疗诊断仪器等。

美国是最早将光电传感器用于民用领域的国家。

20世纪90年代，日本由东芝、日本电气等15家公司和研究机构，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器。

西欧各国的大型企业和公司也积极参与光电传感器的研发和市场竞争。

我国对光电传感器研发的起步时间与国际相差不远。

目前，已有上百个单位在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，有的达到了世界先进水平。

但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验研制阶段，还无法投入批量生产和工程化应用。

1.2光探测器

光探测器是由光传感器和信号处理器组成的光信号探测器件。

光探测器的波长要求与光源的波长匹配，并能可靠的用于光纤传输系统。

目前常用的有两种半导体光探测器，即具有本征层的光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。

半导体光探测器都是利用光电效应的原理制成的。

所谓光电效应是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使PN结中产生光生载流子的一种现象。

为提高光探测器的响应速度和转换率，在PN结中P型材料和N型材料之间增加一层轻掺杂的N型材料（即I层，也称为本征半导体层），就构成了PIN管。

APD管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应产生光电流的倍增作用（即内部电流放大作用）的光电二极管。

所谓雪崩倍增效应是指PN结外加高反向偏压后，在耗尽层内形成一个强电场，在耗尽层吸收光子时，光源发出的光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽层的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成连锁反应，从而使光电流在光电二极管内部获得倍增。

衡量光探测器光/电转换效率的特征参数有量子效率和响应度。

量子效率η定义为转换形成光电流的电子-空穴对数同入射光子数之比，即：

式（1.1）

式中，η—量子效应;n1—入射光子数；n2—光生载流子数；

IP—光生电流（A）；P—入射光功率（W）；hf—光子能量（J）；

h—普朗克常数，h=6.626×10-34j/Hz;

f—入射光频率（Hz）；e—电子电荷，e=1.6×10-19C。

响应度表示单位入射光功率所产生的光电源，即光探测器的平均输出电流与入射光功率之比，具体表示为：

式（1.2）

式中，R—光探测器的响应度（A/W）；IP—光生电流（A）；

P—入射光功率（W）；hf—光子能量（J）；η—量子效率；

e—电子电荷，e=1.6×10-19C；λ—入射光波长（um）。

光探测器的响应度是入射光波长的函数。

入射光波长太短时，材料对光的吸收系数变得很大，光探测器的光/电转换效率会大大降低。

另一方面，入射光波长必须小于半导体光探测器材料的禁带能级所要求的截止波长，以保证入射光满足发生光电效应的条件。

不同材料的典型响应度特性

表1.1

半导体材料

符号

工作波长范围/NM

峰值波长范围/NM

典型响应度/（A/W）

硅

Si

400~1100

800~1000

0.65（800nm）

锗

Ge

1000~1600

1300~1500

0.75（1310nm）

铟镓砷

InGeAs

900~1700

1300~1600

0.90（1550nm）

PIN管和APD管的性能比较

表1.2

项目

本征层的光电二极管（PIN）

雪崩光电二极管（APD）

制作工艺

简单

复杂

成本

低

高

灵敏度

稍差

可比PIN管高3db~10db

偏置电压

低

高

暗电流

小（最大数纳安培）

高（数十至数百安培）

适用范围

中低速中短距离、高速短距离传输

中高速中长距离传输

所以选用PIN光电二极管

1.3主要工作

1、学习multisim软件，掌握基本操作规程；

2、设计光电接收前置单元并仿真运行；

3、制作硬件系统，调试及改进。

1.4实现途径

1、设计准备：

在研制光信号接收头前，首先要对本课题现状进行调查，了解现在国内外的研究现状，查询并翻译相关技术资料，学习multisim软件，掌握基本操作规程。

再进行系统设计、零件选择和方案分析论证，对系统的复杂程度、完成的功能、系统的成本、布线的合理性、工作的速度、失真情况等进行权衡，选择合理的设计方案。

2、设计输入：

打开multisim软件，在元件库里寻找合适的元件放置到主窗口上，连线创建仿真电路原理图。

3、设计处理：

在完成电路原理图后，设置电路图选项，选择使用仿真仪器，设定仿真分析方法，启动multisim2001仿真。

4、设计校验：

在仿真分析结果窗口上查看仿真图，是否符合预测值，如果不符合，那需要检查电路零件和连线情况，或修改逻辑设计方案，直到得到正确的结果。

5、实物制作：

按照设计的原理图，在印刷电路板上制作硬件系统，并与示波器连接，调试接收头，查看其接收效果。

如果需要，做适当的改进。

制作系统外壳及接口。

2PIN光电二极管

2.1光电效应

简单的说，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应（Photoelectriceffect）。

金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。

光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限频率和极限波长。

临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。

前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。

后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

光电效应有四个实验规律：

a．阴极（发射光电子的金属材料）发射的光电子数和照射发光强度成正比。

b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。

这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。

c．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率叫做极限频率（或叫做截止频率），相应的波长λ。

叫做红限波长。

不同物质的极限频率和相应的红限波长λ。

是不同的。

d．从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过lO-9秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。

这表明，光电效应是瞬时的。

半导体的电学性质取决于半导体中电子的运动状态。

当光束投射到半导体表面时，进入体内的光子如果直接与电子作用（吸收、动量传递等），引起电子运动状态的改变，则半导体的电学性质随之发生改变，这类现象统称为半导体的光电效应。

光电效应有许多种，按照是否发射电子，光电效应分为内光电效应和外光电效应。

内光电效应又包括光电导效应、光伏效应、光子牵引效应和光磁电效应等。

在光电效应中，光子直接与物质中的电子相互作用。

物质吸收光子后，将引起物质内部电子能态的改变。

这种改变与光子的能量大小有关，所以光电效应是一种波长选择性物理效应。

2.1.1光电导效应

半导体的导电性能与其中的自由载流子浓度有关，某一温度下，由于热激发电子从不断振动的晶格中获得能量，从价带跃迁到导带，从而产生自由载流子。

同时由于复合作用自由载流子不断减少。

在一定温度下，上述两个过程达到动态平衡，这时半导体中的自由载流子成为“热平衡载流子”。

如果半导体受到光照，则入射光子将激发出新的载流子，该半导体的电导率增大。

半导体材料吸收光辐射而产生载流子，从而使半导体的电导率发生变化的现象称为光电导效应。

根据半导体材料对光辐射吸收类型不同，光电导效应又分为本征光电导效应和非本征光电导效应。

对本征半导体，当无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带。

这时半导体的电导率很低，并定义为：

式（2.1）

n0和p0分别为无光照射时电子和空穴浓度，un和up分别为电子和空穴的迁移率，σ称为半导体材料的暗电导。

当光入射到半导体材料上时，半导体价带中的电子吸收光子后从价带跃迁到导带，产生电子—空穴对，从而使半导体的电导率增大，这种现象称为本征光电导效应。

光电导效应实际上是非平衡多数载流子过程。

使电子从价带跃迁到导带，入射光子能量至少要和本征半导体的禁带宽度一样大，因此要求：

式（2.2）

或写为：

式（2.3）

式中，v是入射光频率，λ是光波长，c是光速，h是普朗克常量。

本征半导体的截止波长为：

λ0=1.24/Eg（ev）,波长大于λ0的光辐射不能产生光电导效应。

上式表明，本征半导体的禁带宽度Eg越小，则λ0越大。

选择Eg不同的半导体材料可制成截止波长不同的光电导探测器。

入射光激发非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子或空穴而产生的光生载流子，从而使电导率发生变化的现象称为非本征光电导效应。

非本征半导体材料的禁带宽度远小于本征半导体材料的禁带宽度，所以非本征光电导的λ0远大于本征光电导的波长λ0

2.1.2光伏效应

由半导体理论可知，在半导体p-n结的n区导带中有较多的电子，在P区价带中有较多的空穴。

p-n结中由于存在载流子浓度梯度，便发生电子向P区、空穴向n区的扩散。

扩散的结果使p区带负电，n区带正电，中间形成耗尽区，同时产生由耗尽区引起的内建电场，内建电场将阻止电子继续向P区扩散，阻止空穴继续向n区扩散，这时p-n结处于平衡状态。

在入射光作用下，如果光子能量大于禁带宽度Eg，则在P区、结区和n区都会引起本征激发而产生电子空穴对，破坏原来的平衡状态。

结区中的光生载流子在结区内建电场的作用下向相反方向运动，P区的空穴穿过p-n结进入n区，n区的电子进入P区。

若p-n结处于开路状态，这些光生载流子就积累在p-n结附近，使P区获得附加的负电荷.n区获得附加的正电荷。

结果使P区电势降低，n区电势升高。

于是在p-n结两端形成了光生电动势，这种现象称为光伏效应。

由于光照产生的载流子各自向相反的方向运动，结果在p-n结内部形成自n区向P区的光生电流Ip，它与漂移电流方向相同，与扩散电流方向相反。

图2.1结构示意图

与光电导效应相反，光伏效应是一种少数载流子过程。

少数载流子的寿命通常短于多数载流子的寿命，当少数载流子复合掉时，光伏信号就终止了。

由于这个原因，基于光伏效应的光探测器通常比相同材料制作的光电导探测器的响应更快。

图2.2能带示意图

2.2PIN光电二极管结构

PIN光电二极管开始加工的硅片是一块接近本征的单晶，称为I层，它有很高的电阻率和很长的载流子寿命。

但完全没有杂质的本征层是很难实现的，P区和N区分别利用扩散或离子注入加工到硅片表面，形成阳极和阴极。

这两个极既可以做在硅片两面，也可以做在同一面的不同区域。

由于光敏二极管并非用于射频状态下，所以对特征频率和传输时间无特殊要求，通常我们采用两个极做在硅片同一面的方式，这样的好处还可以增大光感应的面积，提高感应灵敏度。

图2.3PIN结构图

为了改善响应速度和转换效率，显然，适当的加大耗尽层宽度是有利的，为此在制造时，在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic,本征的）层，由于是轻掺杂，故电子的浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层。

另外，为了降低p-n结两端的接触电阻，以便与外电路连接，将两端的材料做成重掺杂的P+层和N十层，此即PIN光电二极管。

PIN管在低频状态下的I-V特性类似于PN结的I-V特性。

其两端加反向偏压，电源电场与内建电场同向，合成结电场使耗尽区在整个I区扩展。

当能量大于材料禁带宽度的光子射入时，生成光生载流子，进入耗尽区，并向两端漂移，形成光生电流。

这样由于本征区的引入而使得耗尽区长度增加，光生载流子进入耗尽区的几率增大，且光生载流子获得比扩散速度高得多的漂移速度，使量子效率和响应速度都得到很大提高。

图2.4PIN光电二极管结构和能带示意图

当P1N管两端加上正向的偏压后，PI结和NI结的势垒降低，P区空穴和N区电子不断注入到I区，