多档光功率计设计.docx

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多档光功率计设计

大连民族大学课程设计（论文）

多档光功率计设计

学院（系）：

物理与材料工程学院

专业：

光电子技术科学

学生姓名：

学号：

2012153211

指导教师：

冯志庆

完成日期：

2015年07月01日

大连民族大学

摘要

本次设计以通用运算放大器中的I-V转换器和同相放大器为核心，通过多档开关实现不同反馈电阻间的切换，从而实现多档光功率计的设计。

首先，我使用AltiumDesignerSummer09软件绘制电路原理图与PCB板图；其次，到实验室，在冯老师的指导与帮助下，根据所绘电路原理图，完成使用电烙铁点焊电路板的实验设计，该电路板中有六个电阻、两个OP07芯片、硅光电池和若干导线等；再其次，利用万用表调试电路板，直至调试无误；接着，打开光源钨灯，利用积分球提供稳定光，对硅光电池进行照射，通过改变积分球的出射光功率改变光照强度，在不同光功率下使用万用表分别测量电路最终的输出电压，记录数据；然后，切换I-V转换电路的反馈电阻，改变光功率计的档位，重复上一步骤，记录数据；而后，根据所得数据，绘制P-U曲线，并对其进行标定与灵敏度计算；最后，分析整体电路的输入与输出特性，得出本次课程设计圆满完成的结论。

关键词：

通用运算放大器、多档开关、AltiumDesignerSummer09

目录

一、绪论1

1.1设计背景1

1.2设计任务1

1.3基本理论知识1

1.3.1半导体三极管1

1.3.2理想运算放大器2

1.3.3同相放大器2

1.3.4反相放大器3

1.3.5I-V转换器3

1.3.6多档开关4

1.4其他理论知识4

1.4.1焊接4

1.4.2AltiumDesignerSummer095

二、设计方案5

2.1功能设计5

2.2原理图设计5

2.3PCB设计6

三、硬件与设备7

3.1PCB7

3.2硅光电池7

3.2.1结构分析7

3.2.2工作原理8

3.3钨灯8

3.4积分球8

3.5OP07CP芯片9

3.6其他工具9

四、实验过程10

4.1实验步骤10

4.2注意事项10

4.3完成情况11

五、数据记录与分析11

5.1数据记录11

5.2数据分析12

5.2.1理论放大系数12

5.2.2灵敏度12

5.2.3P-U曲线（标定曲线）12

5.2.4模拟P-U表13

5.3误差分析13

5.3.1放大系数误差分析13

5.3.2灵敏度误差分析13

六、实验总结14

七、参考文献14

一、绪论

1.1设计背景

随着教学的深入开展，本专业——光电子技术科学的学生有必要了解与掌握一些基本的实验电路设计的技能，并能有相应的动手实验能力。

本次课程设计以通用运算放大器中的I-V转换器和同相放大器为主，通过切换不同的反馈电阻，实现多档光功率的测量。

1.2设计任务

（1）使用AltiumDesignerSummer09软件绘制电路原理图与PCB；

（2）根据设计电路板的功能与结构，选取所需元件；

（3）使用电烙铁，把各个元件正确地点焊在电路板上；

（4）使用万用表调试焊接好的电路板，直至无误为止；

（5）使用万用表测量与记录在不同光功率下的电压值，切换反馈电阻，重复测量与记录，最后对多档光功率计进行标定，并绘制标定曲线。

1.3基本理论知识

完成该设计，需掌握以下基本理论知识。

1.3.1半导体三极管

图1.1半导体三极管

三极管由两个PN结组成，分为PNP和NPN两种类型，具有电流放大作用。

发射区的掺杂浓度最高；基区最薄，掺杂浓度最低；集电区面积最大。

1.3.2理想运算放大器

图1.2理想运算放大器

理想运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为无穷小（近似为零），电压放大倍数为无穷大等。

在线性区工作时有以下特点：

（1）输入电流等于零，这种现象称为“虚断”；

（2）差模输入电压等于零，这种现象称为“虚短”；

（3）2与3相互跟随变化，且二者关系为

（2）；

（4）虚地：

3接地，相当于2接地（虚地）等。

1.3.3同相放大器

图1.3同相放大器

同相放大器的电压信号从同相输入端输入，采用电压串联负反馈结构，具有共模抑制比要求高、输入电阻高和输出电阻低的特点。

根据计算可得：

因此，同相放大器的电压增益为。

1.3.4反相放大器

图1.4反相放大器

反相放大器的电压信号从反相输入端输入，采用电压并联负反馈结构，具有共模抑制比要求低、输入电阻和输出电阻较低的特点。

根据计算可得：

因此，反相放大器的电压增益为。

1.3.5I-V转换器

图1.5I-V转换器

I-V转换器是实现电流转换为电压的放大器。

根据计算可得：

该电路组成的I-V转换器避免了运放输入失调电压、偏入偏置电路和失调电流影响带来的积分误差，也避免了电容的漏电流带来的误差，但对电阻和运放的精度要求较高。

1.3.6多档开关

图1.6多档开关

多档开关是指一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件，它含有一个或数个接通点，接点的“闭合”（closed）表示电子接点导通，允许电流流过；开关的“开路”（open）表示电子接点不导通形成开路，不允许电流流过。

1.4其他理论知识

1.4.1焊接

焊接，也称作熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。

焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。

焊接可在多种环境下进行，如野外、水下和太空。

无论在何处，焊接都可能给操作者带来危险，所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。

焊接通过下列三种途径达成接合的目的：

（1）加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物辅助；

（2）单独加热熔点较低的焊料，无需熔化工件本身，借焊料的毛细作用连接工件（如软钎焊、硬焊）；

（3）在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两工件间相互渗透接合（如锻焊、固态焊接）。

本次课设使用第二种途径进行焊接操作。

1.4.2AltiumDesignerSummer09

AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。

AltiumDesigner的主要功能有：

（1）

原理图设计

（2）印刷电路板设计

（3）FPGA的开发

（4）嵌入式开发

（5）3DPCB设计

AltiumDesigner这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。

二、设计方案

2.1功能设计

制作一个能够实现以下功能的电路：

（1）实现电流转换为电压与电压放大；

（2）实现切换反馈电阻的多档光功率测量；

（3）实现电路安全稳定,能够测量与记录实验数据等。

2.2原理图设计

图2.1功能流程图

图2.1为本次设计的电路的功能流程图，该电路需要实现从光源到光电转换，光电转换到IV转换，IV转换到电压放大，电压放大到功率转换的功能。

图2.2电路原理图

根据电路的功能设计的要求，使用AltiumDesignerSummer09软件绘制多档光功率计的原理图，如图2.2所示。

U1为I-V转换器，实现把由P1端的硅光电池D受光照产生的电流转换为电压的功能；U2为同相放大器,把U1产生的电压信号进行比例放大，输出放大的电压信号；S为多档开关，可切换到不同的反馈电阻实现不同档位间的变换，其中各个电阻的阻值为：

R1a=10K,R1b=100K,R1c=300K,R2=100R,R3=100K,R4=100K。

2.3PCB设计

图2.3印制电路板图图2.4印制电路板图（敷铜）

使用AltiumDesignerSummer09软件进行PCB封装设计，设计结果为

图2.3和图2.4所示。

三、硬件与设备

在本次课程设计中，需要用到电路板、硅光电池、钨灯、积分球、OP07CP芯片、管座、电阻、电烙铁、焊锡、偏口钳、万用表和导线等硬件设备。

3.1PCB

图3.1-3.2PCB

3.2硅光电池

图3.3硅光电池结构示意图

硅光电池（又称太阳能电池）是一种直接把光能转换成电能的半导体器件，其结构简单，核心部分是一个面积较大的PN结，并具有光生伏特效应，即受到光照时能产生的电动势和电流。

它可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源，具有寿命长、使用方便、无噪音、无污染等优点。

在本次课程设计中，采用硅光电池作为多档光功率计的探测器。

3.2.1结构分析

硅光电池内部结构如图3.3所示，主要由两部分组成：

N型硅基片层和P型硅受光层。

根据PN结原理，当光照在P型硅表面，且光子能量大于材料的禁带宽度时，在PN结内产生电子-空穴对，N区电子密度增加，P区空穴密度增加，如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在PN结附近，使P区获得附加正电荷，N区获得附加负电荷，这样在PN结上产生一个光生电动势，这一现象称为光生伏特效应。

如果连接灵敏电流计形成闭合电路，则在回路中产生光电流，光电流的大小与入射光强有关。

3.2.2工作原理

硅光电池的工作原理是基于光生伏特效应。

当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。

流过PN结两端的电流由下式确定：

其中：

Is（饱和电流）;V（PN结两端的电压）;T（绝对温度）;Ip（产生的光电流）

图3.4硅光电池的伏–安特性曲线

当在硅光电池两端加负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。

图3.4为硅光电池的伏安特性曲线。

3.3钨灯

钨灯，一种用于各种类型商场、酒店、店铺、家居等装饰设计照明及仪器照明的灯具，具有灯光效高、寿命长、光色良好的特点。

3.4积分球

图3.5积分球原理图

积分球（Integratingsphere）是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，又称光度球和光通球，其特点是具有高反射性内表面的空心球体。

球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。

积分球的内壁应是良好的球面，通常要求它相对于理想球面的偏差应不大于内径的0.2%。

球内壁上涂以理想的漫反射材料（漫反射系数接近于1）。

常用的材料是氧化镁或硫酸钡，将它和胶质粘合剂混合均匀后，喷涂在内壁上。

氧化镁涂层在可见光谱范围内的光谱反射比都在99%以上，这样，进入积分球的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度。

为获得较高的测量准确度，积分球的开孔比应尽可能小。

开孔比定义为积分球开孔处的球面积与整个球内壁面积之比。

3.5OP07CP芯片

图3.6OP07CP封装图

OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大，如果使用双电源，能达到最好的放大效果。

3.6其他工具

图3.7电烙铁图3.8焊锡

图3.9偏口钳图3.10万用表

电烙铁，用于焊接元件及导线。

焊锡，是在焊接线路中连接电子元器件的重要工业原材料，广泛应用于电子工业、家电制造业、汽车制造业、维修业和日常生活中。

偏口钳，电工常用工具之一，又称为“斜口钳”，主要用于剪切导线，元器件多余的引线。

万用表，一种多功能、多量程的测量仪表，一般可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可测量交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数等。

四、实验过程

4.1实验步骤

（1）提前使用AltiumDesignerSummer09软件绘制电路原理图与PCB；

（2）两人一组，找齐所需设备与元件；

（3）使用电烙铁把各个元件焊接到电路板上；

（4）在电路板管座上安装OP07CP芯片，使用万用表调试电路板；

（5）在调试无误后，用钨灯和积分球提供稳定光源，对硅光电池进行照射，通过改变积分球的出射光功率改变光照强度，在不同光功率下使用万用表分别测量电路最终的输出电压，记录数据；

（6）切换I-V转换电路的反馈电阻，改变光功率计的档位，重复上一步骤，记录数据；

（7）检查整体实验情况，确认后整理实验室，打扫卫生，实验完成。

4.2注意事项

安全第一，正确使用设备，操作过程中保护电路元件，避免静电造成元件损伤；降低噪声信号，提高数据真实性。

4.3完成情况

图4.1焊接后的PCB图4.2多档反馈电阻

图4.3硅光电池电路图4.4整体电路

图4.1所示电路板，点焊了两个管座、两个OP07芯片、三个电阻（阻值分为100R、100K和100K）和若干导线等，该电路板构成I-V转换电路和同相放大电路；图4.2所示电路板，点焊了四个电阻（阻值分为10K、100K、300K和470K），其中选用10K、100K和300K的电阻作为本次课程设计的多档反馈电阻。

五、数据记录与分析

5.1数据记录

表5.1多档光功率计设计实验数据表

实验在较为理想情况下进行，分别测量光功率计在不同输出光功率和不同档位（即10K反馈电阻、100K反馈电阻和300K反馈电阻）下的输出电压，得到如表5.1所示的实验数据表。

5.2数据分析

下面结合设计的电路，计算与分析测得的数据。

5.2.1理论放大系数

放大系数A理=1+R4/R3=1+100K/100K=2。

5.2.2灵敏度

对所得数据进行计算处理，得到光功率计各档位的P-U关系式分别为，

10K反馈电阻：

y=0.4011x-0.0067[1]

100K反馈电阻：

y=4.0067x-0.0158[2]

300K反馈电阻：

y=11.974x+0.1055[3]

灵敏度（Sensitivity）是衡量物理仪器的一个标志，由[1][2][3]式可得，光功率计各档位的灵敏度ρ分别为：

10K反馈电阻：

0.4011；100K反馈电阻：

4.0067；300K反馈电阻：

11.974

可知，光功率计的灵敏度与反馈电阻的阻值成正比，反馈电阻越高，灵敏度越高。

因此，合理选择反馈电阻，以匹配相应的灵敏度尤为重要。

5.2.3P-U曲线（标定曲线）

图5.1输入光功率与输出电压（P-U）曲线

根据表5.1所得数据，使用Excel软件绘制了输入光功率与输出电压（P-U）曲线，如图5.1所示。

由图5.1可知，输入光功率与输出电压（P-U）关系在光功率为0-5W的范围内，具有良好的线性关系。

5.2.4模拟P-U表

图5.2输入光功率与输出电压（P-U）标定表盘

根据表5.1所得数据，模拟真实电表，绘制标定表盘，即P-U表，如图5.2所示，使用该表盘能够实现把所测的光功率值换算为对应的电压值的读数功能。

5.3误差分析

5.3.1放大系数误差分析

分析所得数据，计算出同相比例放大电路的实际放大系数A实=2.0109，则绝对误差为，

由计算结果可知，放大系数的绝对误差很小（0.55%），实际放大系数与理论放大系数比值接近1。

因此，该结果较为精确，与理论相符程度高。

5.3.2灵敏度误差分析

10K反馈电阻：

ρ实=0.4011，ρ理=0.4，绝对误差为，

100K反馈电阻：

ρ实=4.0067，ρ理=4，绝对误差为，

300K反馈电阻：

ρ实=11.974，ρ理=12，绝对误差为，

由计算结果可知，灵敏度的绝对误差很小，分为0.28%（10K）、0.17%（100K）和0.22%（300K），实际灵敏度与理论灵敏度的比值都接近1。

因此，该结果较为精确，与理论相符程度高。

六、实验总结

在本次课程设计中，我学习了硅光电池的基本结构与工作原理、积分球原理、光功率计多档功能的实现原理等，并巩固了关于数电、模电、电路原理的基础知识，运用这些知识动手操作，完成了设计电路板、使用电烙铁焊接电路板、调试电路、记录数据、处理数据和标定多档光功率计等工作，最终完成了能够实现I-V转换和同相放大电压的多档光功率计电路的设计。

通过本次课程设计的锻炼，我能够熟练地使用AltiumDesignerSummer09软件绘制电路原理图与PCB板图，对I-V转换器、同相放大器等通用运算放大电路、硅光电池和实现多档切换等的原理有了更深层次的认识与掌握；对实验过程中收集的数据进行分析，得到多档光功率计的标定曲线（P-U曲线），各档位的灵敏度，并绘制了模拟的标定表盘，验证了硅光电池的特性和该电路的功能，收获颇多。

七、参考文献

[1]康华光，《电子技术基础：

模拟部分》（第5版），高等教育出版社，2008.1.1。

[2]康华光，《电子技术基础：

模拟部分》（第5版）笔记和课后习题（含考研真题详解），中国石化出版社，2013。

[3]朱定华，蔡红娟，蔡苗，《模拟电子技术》，清华大学出版社，2013.2.1。

[4]谢龙汉，鲁力，张桂东，《AltiumDesigner原理图与PCB设计及仿真》，电子工业出版社，2012.1.1。

[5]丁镇生，《电子电路设计与应用手册》，电子工业出版社，2013.6.1。