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光電二極管范文第1篇

關(guān)鍵詞： 硅PIN光電二極管； 偏置電路； 電子濾波器； 閃爍探測(cè)器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）13?0159?03

Design and application of low?price bias circuit for Si?PIN photodiodes

JIA Mu?lin1， ZENG Guo?qiang2， MA Xiong?nan3

（1. Guangxi Radiation Environment Supervision and Management Station， Naning 530222， China； 2. Chengdu University of Technologe， Chengdu 610059， China；

3. China Institude For Radiation Protection， Taiyuan 030006， China）

Abstract： The Si?PIN photodiodes have been more and more widely used in the areas of weak light signal detection， but the result of detection is more likely affected by bias voltage and other factors. The high?stability bias voltage with low ripple coefficient is essential for accurately achieving the detected weak light singal. A Si?PIN photodiode bias circuit based on TPS61040 DC/DC boost converting chip was design and applied to the weak light signal detection of the NaT （Tl） scintillator. A good result was achieved.

Keywords： Si?PIN photondiode； bias circuit； electronic filter； scintillator detector

硅PIN光電二極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SPD）作為一種成熟的半導(dǎo)體光電器件，因其特有的優(yōu)勢(shì)在自控、通信、環(huán)保、醫(yī)療及高能物理研究等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但其使用極易受所加偏置電壓的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)SPD上所加的偏置電壓的要求非常苛刻，必須具備很低的紋波系數(shù)和良好的穩(wěn)定性，這也就造成常用的SPD偏置電路成本較高。針對(duì)這一情況，本文將介紹一款基于TPS61040電壓轉(zhuǎn)換芯片的偏壓電路設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于NaI（Tl）+SPD輻射探測(cè)器的信號(hào)檢測(cè)。

1 硅PIN光電二極管與偏置電壓關(guān)系

1.1 SPD及其偏置電壓簡(jiǎn)介

與普通光電二極管相比，SPD是由中間隔著本征層的PN結(jié)構(gòu)成。當(dāng)在PN兩端外加反向偏壓時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)幾乎集中于I層，使得耗盡層厚度加大，增大了對(duì)光子的吸收和轉(zhuǎn)換有效區(qū)域，提高了量子效率；同時(shí)，PN節(jié)雙電層間距加寬，降低了器件本身的結(jié)電容，如圖1所示。使得器件的響應(yīng)速度提高，有利于在微弱光脈沖信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用；此外，結(jié)電容的降低減小了信號(hào)電荷在其上的分配，有利于為前置放大電路輸入更多的原始信號(hào)電荷。

圖1 偏置電壓與結(jié)電容關(guān)系

1.2 偏置電壓電平選擇

但偏置電壓不是越高越好，原因是SPD的暗電流隨偏壓的增加而增加，如圖2所示。當(dāng)偏壓超過(guò)一定值時(shí)，暗電流隨偏壓呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，使得整個(gè)系統(tǒng)的信噪比迅速降低。在進(jìn)行微弱光信號(hào)檢測(cè)時(shí)，若所加偏壓自身噪聲較大，將直接影響到有用信號(hào)的提取，甚至可能將有用信號(hào)完全湮沒(méi)。綜合SPD的特性曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一般將偏置電壓設(shè)定在24 V。

圖2 偏置電壓與暗電流關(guān)系

2 偏置電路設(shè)計(jì)

2.1 升壓芯片確定

通常，便攜式儀器配用的電源電壓為較低，無(wú)法滿(mǎn)足SPD偏置電壓電平24 V的要求，須進(jìn)行升壓處理。目前，主要選用APD（雪崩光電二極管）專(zhuān)用升壓芯片（如：MAX5026，MAX1932等）構(gòu)成SPD的偏置電路，但成本相對(duì)較高，且這類(lèi)芯片升壓幅度遠(yuǎn)超過(guò)SPD的需要，造成了一定的浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)一款低成本的SPD專(zhuān)用偏置電路是非常有必要的。

本文選用的TPS61040升壓芯片是一款由德州儀器公司生產(chǎn)的電感式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)是價(jià)格低、功耗低、轉(zhuǎn)換效率高。該芯片采用脈沖頻率調(diào)制（FPM）模式，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)1 MHz；輸入電壓范圍為1.8～6 V，可選用的供電電源較為豐富，適用性強(qiáng)；最高輸出電壓可達(dá)28 V，可滿(mǎn)足絕大部分SPD的偏壓電平要求。

2.2 TPS61040工作原理

TPS61040的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，其脈沖頻率調(diào)制模式（PFM）工作原理如下：轉(zhuǎn)換器通過(guò)FB腳檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)反饋電壓降到參考電壓1.233 V以下時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)，使電感電流增大，并開(kāi)始儲(chǔ)能；當(dāng)流過(guò)外部電感的電流達(dá)到內(nèi)部設(shè)定的電流峰值400 mA或者開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)6 μs時(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，電感所儲(chǔ)能量開(kāi)始釋放；反饋電壓低于1.233 V或內(nèi)部開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)間超過(guò)400 ns，開(kāi)關(guān)再次啟動(dòng)，電流增大。通過(guò)PFM峰值電流控制的調(diào)配，轉(zhuǎn)換器工作在不間斷導(dǎo)通模式，開(kāi)關(guān)頻率取決于輸出電流大小。這種方式使得轉(zhuǎn)換器具有85%的轉(zhuǎn)換效率。芯片內(nèi)部集成的MOSFET開(kāi)關(guān)，可使輸出端SW與輸入端隔離。在關(guān)斷過(guò)程中輸入電壓與輸出電壓間無(wú)聯(lián)接，可將關(guān)斷電流減小到0.1 μA量級(jí)，從而大大降低了功率。

圖3 TPS61040的功能模塊

2.3 升壓電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)（圖4所示）采用5 V電池作為電源，輸出電壓+24.5 V。根據(jù)TPS61040的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知反饋電平?jīng)Q定了輸出電壓的值，反饋電平又與分壓電阻直接相關(guān)，輸出電壓[Vout]可按如下公式計(jì)算：

[Vout=1.233*（1+RTRB）]

式中：[RT]和[RB]分別為上下分壓電阻，在電池供電的情況下，二者的最大阻值分別為2.2 MΩ與200 kΩ。在選擇反饋電阻時(shí)，應(yīng)綜合考慮阻值與反饋電平的關(guān)系，較小的阻值有利于減小反饋電平的噪聲，本文中[RT]和[RB]分別選用阻值1 MΩ與51 kΩ的電阻，根據(jù)上式可得輸出的電壓電平為24.5 V。為減小輸出電壓的紋波，可在[RT]上并聯(lián)一補(bǔ)償電容。三極管[Q1]用于隔離負(fù)載與輸入電源。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

2.4 濾波電路設(shè)計(jì)

根據(jù)PFM模式的工作原理可知，流過(guò)儲(chǔ)能電感的電流呈現(xiàn)周期性的變化，從而將其內(nèi)貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出，造成了偏置電路的輸出電平也呈周期性變化，波形近似為三角波，如圖5所示。這使得升壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不能直接用于的SPD偏置。

要得到理想的偏置電壓，必須對(duì)其進(jìn)行處理。本文采用電子濾波器來(lái)完成偏壓的濾波，電路原理如圖6所示。根據(jù)電子濾波器有放大電容的作用，可以用容量和體積均較小的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)超大電容的功能，基本設(shè)計(jì)如圖6所示。通過(guò)濾波處理后，成功將偏置電壓的紋波控制在2 mV以?xún)?nèi)（見(jiàn)圖7），且整個(gè)偏壓電路體積較小，而且成本較低。

圖5 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓波形

圖6 偏壓濾波原理圖

圖7 濾波后的偏壓

3 應(yīng)用實(shí)例

本文選用的SPD為濱淞公司S3590?08型大面積硅PIN光電二極管，可用于閃爍探測(cè)器中光電轉(zhuǎn)換功能，選用的閃爍體為一塊體積Φ30 mm×25 mm的圓柱形NaI（Tl）晶體，通過(guò)一塊聚光光錐將NaI（Tl）晶體發(fā)出微弱光線(xiàn)匯集到S3590?08的受光面進(jìn)行探測(cè)，并采用本文設(shè)計(jì)的升壓電路為S3590?08提供偏壓；選用的放射源核素為Cs?137。SPD輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器（原理如圖8所示）處理后，輸出信號(hào)的波形如圖9所示，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的偏置電路基本達(dá)到輻射信號(hào)檢測(cè)的需要。

圖8 前放原理圖

圖9 加有偏壓核脈沖信號(hào)波形

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)表明，基于TPS61040升壓轉(zhuǎn)換器的升壓電路是可以用作對(duì)偏壓要求較高的SPD的偏置電源，與采用APD專(zhuān)用偏壓芯片構(gòu)成的同類(lèi)電路相比，成本更低，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗較低、體積較小，具有一定的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[4] 薛永毅.新型電源電路應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

光電二極管范文第2篇

技術(shù)理論分析

“超級(jí)”CCD與普通CCD最大的不同，是其使用的不再是普通的矩形光電二極管，而是較大的八角形光電二極管，像素則以蜂窩式排列。如圖。

要提高影像質(zhì)量就必須增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情況下，增加像素就意味著要縮小像素，從而縮小了像素中的光電二極管，而要提高CCD的感光度和信噪比則必須加大每個(gè)像素的光電二極管，這一矛盾對(duì)于CCD而言是難以克服的。

而“超級(jí)”CCD的設(shè)計(jì)卻可以使這一矛盾得以緩和。其像素按45度角排列為蜂窩狀后，控制信號(hào)通路被取消，節(jié)省下的空間使光電二極管得以增大，而八角形的光電二極管因更接近微透鏡的圓形，從而可以比矩形光電二極管更有效的吸收光。光電二極管的加大和光吸收效率的提高使每個(gè)像素的吸收電荷增加，從而提高了CCD的感光度和信噪比。

普通CCD由于在互相垂直的軸上間隔較大，使其水平和垂直分辨率低于對(duì)角線(xiàn)上的分辨率，而“超級(jí)”CCD互相垂直的軸上間隔變窄，因此水平和垂直分辨率高于對(duì)角線(xiàn)上的分辨率，這也就意味著水平和垂直分辨率得到了相對(duì)提高。

從理論分析而言，使用“超級(jí)”CCD的數(shù)碼相機(jī)比使用普通CCD的數(shù)碼相機(jī)顯然更具優(yōu)勢(shì)。

實(shí)拍結(jié)果對(duì)比

為了使CCD以外因素的影響減到最低，拍攝所使用的相機(jī)均為富士產(chǎn)品――富士 FinePix4700zoom(240萬(wàn)像素“超級(jí)CCD”，相當(dāng)于35mm相機(jī)35-105mm富士龍鏡頭)和富士MX-2900zoom(230萬(wàn)像素普通CCD，相當(dāng)于35mm相機(jī)36-108mm EBC富士龍鏡頭)，此兩款數(shù)碼相機(jī)CCD硬件精度與鏡頭均很接近。

由以上理論分析和實(shí)拍對(duì)比，“超級(jí)”CCD必將以更優(yōu)秀的性能而逐步取代普通CCD。但想要由此把傳統(tǒng)鹵化銀攝影術(shù)拉下馬來(lái)仍需要克服自身的致命弱點(diǎn)――處理速度太慢。

注：測(cè)試使用相機(jī)由聯(lián)想科技商城提供。

vs.=versus,對(duì)比之意。

普通CCD “超級(jí)”CCD

240萬(wàn)像素“超級(jí)”CCD(4700Zoom攝于故宮)

230萬(wàn)像素普通CCD(2900Zoom攝于故宮)

微距模式下：

微距模式下兩種CCD在細(xì)節(jié)表現(xiàn)方面均很好，但相比之下，“超級(jí)”CCD的圖像細(xì)膩程度和影像深度則稍勝一籌。

240萬(wàn)像素“超級(jí)”CCD(4700Zoom攝于爨底下)

230萬(wàn)像素普通CCD(2900Zoom攝于爨底下)

一般模式下，廣角：

對(duì)于全景，普通CCD與“超級(jí)”CCD的差距很明顯，“超級(jí)”CCD在層次過(guò)渡、明暗變化方面表現(xiàn)得更好。

240萬(wàn)像素“超級(jí)”CCD(4700Zoom攝于首鋼)

230萬(wàn)像素普通CCD(2900Zoom攝于首鋼)

光電二極管范文第3篇

觸摸屏是一類(lèi)能夠檢測(cè)觸摸存在和位置的顯示設(shè)備，它們可以讓用戶(hù)通過(guò)設(shè)備屏幕直接與設(shè)備交互。今天，許多微控制器集成了相應(yīng)的嵌入式電路，使其能夠用于觸摸屏控制。微控制器可用于設(shè)定門(mén)限，提供最小化誤觸發(fā)的噪聲消除，實(shí)現(xiàn)支持多種不同類(lèi)型觸摸輸入的主機(jī)固件。

為了進(jìn)一步改善人機(jī)界面的表現(xiàn)能力，設(shè)計(jì)師能夠?yàn)槠涮砑咏咏鼈鞲衅?。單一接近傳感器可用于檢測(cè)物體的存在與否，如手或者用戶(hù)身體。這種功能在許多應(yīng)用中非常有用。例如，計(jì)算機(jī)顯示器能夠使用嵌入式接近檢測(cè)器感應(yīng)用戶(hù)的存在，當(dāng)檢測(cè)到用戶(hù)不在時(shí)，它可以關(guān)閉屏幕，以節(jié)省電力；當(dāng)感應(yīng)到用戶(hù)返回時(shí)，它又重新點(diǎn)亮屏幕。

另一種迅速流行的人機(jī)界面技術(shù)是運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，這種運(yùn)動(dòng)感知能力是指系統(tǒng)有識(shí)別物體移動(dòng)以便執(zhí)行特定功能的能力。例如，手機(jī)應(yīng)用程序可能會(huì)允許用戶(hù)通過(guò)晃動(dòng)一下手機(jī)來(lái)進(jìn)行文件翻頁(yè)?？梢蕴砑恿硪粋€(gè)接近傳感器到設(shè)計(jì)中，使得設(shè)備具有一維空間運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的能力。通過(guò)定制固件，兩個(gè)接近傳感器與微處理器緊密配合，不僅能提供運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力，還能檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)的方向。

要理解動(dòng)作感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，需要了解紅外線(xiàn)(IR)與可見(jiàn)光的差異，探討接近和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)如何在單一LED下運(yùn)行，以及系統(tǒng)在使用多個(gè)LED進(jìn)行多接近測(cè)量時(shí)如何工作。

當(dāng)我們談及“光”時(shí)，通常指的是來(lái)自太陽(yáng)或燈具的可見(jiàn)光，然而，可見(jiàn)光僅占光譜范圍中的一小部分。我們把可見(jiàn)光定義為人眼可以識(shí)別的所有光線(xiàn)，通常人眼可以識(shí)別的光線(xiàn)波長(zhǎng)為380―750nm。那么，人眼無(wú)法識(shí)別的非可見(jiàn)光(如波長(zhǎng)為850nm光)又如何呢?

紅外(IR)輻射光的波長(zhǎng)為750nm～0.1m。其與可見(jiàn)光有著相同的特性，如反射率，而且它可以通過(guò)特殊燈泡或發(fā)光二極管生成。因?yàn)槿搜蹮o(wú)法看到IR光，所以我們可以用它來(lái)完成一些特殊的人機(jī)界面任務(wù)，如接近檢測(cè)，這樣就無(wú)須用戶(hù)與系統(tǒng)進(jìn)行任何直接接觸。

IR接近傳感系統(tǒng)能夠檢測(cè)附近物體的存在，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果做出反應(yīng)，其應(yīng)用無(wú)處不在。例如，手機(jī)可以使用接近傳感技術(shù)檢測(cè)通話(huà)時(shí)手機(jī)是否接近面部。當(dāng)你把手機(jī)靠近耳邊時(shí)，手機(jī)將檢測(cè)到頭的存在，從而自動(dòng)關(guān)閉屏幕以節(jié)省電能。其他接近感應(yīng)系統(tǒng)的例子還包括皂液器和飲水機(jī)，你可以把手放在傳感器附近(通常在皂液管或水龍頭附近)，以“非接觸”而又衛(wèi)生的方式獲取皂液或水。在高級(jí)汽車(chē)上，外部防碰撞系統(tǒng)也使用接近檢測(cè)，當(dāng)汽車(chē)與其他汽車(chē)或者物體太靠近時(shí)，接近檢測(cè)會(huì)提醒司機(jī)注意。有些車(chē)輛還可以使用車(chē)內(nèi)接近感應(yīng)系統(tǒng)檢測(cè)乘客的存在，從而調(diào)整安全裝置(如安全氣囊)。

接近檢測(cè)通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的IR LED實(shí)現(xiàn)。與IR LED相對(duì)應(yīng)的是光電二極管，它一般用來(lái)檢測(cè)LED發(fā)出的IR光。當(dāng)IR LED和光電二極管同方向放置時(shí)，光電二極管將不會(huì)檢測(cè)到任何IR光，除非有物體在LED的前面，將光反射回光電二極管。反射回光電二極管的光強(qiáng)與物體到光電二極管的距離成反比關(guān)系。

單一LED和光電二極管相結(jié)合可以檢測(cè)一些動(dòng)作，例如，可以檢測(cè)物體是否靠近或遠(yuǎn)離光電二極管，但這僅僅是一維空間檢測(cè)。假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)，其布局如圖1所示，單一LED系統(tǒng)僅使用LEDl與IR傳感器。現(xiàn)在，做三個(gè)不同方向的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)包括沿圖1X軸從左到右的滑動(dòng)，沿Y軸從底部到頂部的滑動(dòng)，以及垂直于圖1由遠(yuǎn)及近，然后由近及遠(yuǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2是三個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，Silicon Labs Sil120傳感器感應(yīng)IR LED后的輸出值。其中，Y軸是反射的IR光強(qiáng)，x軸是時(shí)間。圖2表明，單一LED系統(tǒng)不能區(qū)分這些手勢(shì)，其只能檢測(cè)到物體正在接近或遠(yuǎn)離傳感器，而不能判別方向。

二維空間檢測(cè)由位于不同位置的兩個(gè)LED和單個(gè)光電二極管組成。從LEDl得到一個(gè)測(cè)量值，然后快速?gòu)腖ED2獲得另一個(gè)測(cè)量值，兩個(gè)測(cè)量值被用于計(jì)算二維空間上的物置。其中，一維空間是接近LEDl(左)或接近LED2(右)，而另一維空間是接近或遠(yuǎn)離光電二極管。圖3是與圖2相同的三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果。其中，白線(xiàn)代表從LEDl中讀出的數(shù)據(jù)，紅線(xiàn)代表從LED2讀出的數(shù)據(jù)。從左到右滑動(dòng)過(guò)程中，白線(xiàn)上升，然后是紅線(xiàn)。當(dāng)手從左到右滑動(dòng)時(shí)，LEDl反射IR光到傳感器，然后是LED2。

三維空間運(yùn)動(dòng)檢測(cè)由三個(gè)LED和單個(gè)光電二極管組成，LED3與LED1、LED2不在同一直線(xiàn)上，可以把LED1和LED2之間的連線(xiàn)看作x軸，LED1和LED3之間的連線(xiàn)看作Y軸，從光電二極管和LED到被測(cè)物體之間的連線(xiàn)看作z軸。圖4顯示了與圖2和圖3相同的測(cè)量過(guò)程，其中，藍(lán)線(xiàn)代表LED3的測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)手從左向右滑動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭衷贚ED1和LED3上同時(shí)通過(guò)，LED1和LED3數(shù)據(jù)線(xiàn)同時(shí)上升，然后是LED2數(shù)據(jù)線(xiàn)。當(dāng)手從底部向頂部滑動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭窒扔龅絹?lái)自L(fǎng)ED3的IR光，LED3數(shù)據(jù)線(xiàn)上升，然后是LED1和LED2。當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭衷谡麄€(gè)過(guò)程中都反射等量的LED光，三個(gè)LED測(cè)量值是相同的。

當(dāng)IR LED和IR傳感器應(yīng)用于產(chǎn)品時(shí)，這些組件通常不會(huì)用作裝飾目的而放在外面，終端產(chǎn)品至少需要一個(gè)開(kāi)口或透明窗口，讓IR光透過(guò)。

IR LED從窗口中照射出，被外部物體反射后，通過(guò)窗口進(jìn)入sill20傳感器。單一窗口配置的主要缺點(diǎn)是：窗口將導(dǎo)致一些光線(xiàn)被內(nèi)反射到Siil20，即使在檢測(cè)范圍內(nèi)沒(méi)有外部物體時(shí)，大量反射光也可能導(dǎo)致傳感器輸出。

雙窗口設(shè)計(jì)使用其中一個(gè)窗口用于IR LED，另一個(gè)窗口用于傳感器。通過(guò)在LED和傳感器之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x，設(shè)計(jì)消除了內(nèi)部反射的問(wèn)題，為系統(tǒng)提供更好的敏感性和檢測(cè)范圍。

對(duì)于IR接近感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，選擇何種IR LED是一項(xiàng)非常重要的決定。IR LED視角對(duì)最大檢測(cè)距離和范圍有很大影響。從LED射出的IR光形成一個(gè)圓錐狀，圓錐頂角(大多數(shù)LED能量從這里輸出)被稱(chēng)為L(zhǎng)ED視角。

光電二極管范文第4篇

 

在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，光信號(hào)接收前置放大電路是一個(gè)重要的組成部分。低噪聲、寬頻帶和足夠的增益是對(duì)該部分電路的基本要求。具有較佳技術(shù)性能的光電接收前置放大電路往往使用了價(jià)格高昂的器件，使其成本過(guò)高，對(duì)可見(jiàn)光通信技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。

 

1 技術(shù)方案

 

1.1 設(shè)計(jì)要求

 

在保證高速、高增益的同時(shí)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足以熒光型LED作為信號(hào)發(fā)射源、直接數(shù)字強(qiáng)度調(diào)制的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換前置放大電路的需求。

 

1.2 技術(shù)參數(shù)確定

 

頻率響應(yīng)。-3dB高頻響應(yīng)為2MHz-10MHz。

 

靈敏度。可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，LED光源同時(shí)兼具照明和可見(jiàn)光通信信號(hào)發(fā)送的雙重作用。日常生活、工作中，對(duì)室內(nèi)參考平面上光照度的最低要求一般為100lx。為留有一定裕量，以照度值50lx作為可見(jiàn)光通信系統(tǒng)正常工作的閾值?？紤]到后續(xù)電路的要求，擬定前置放大電路此時(shí)的輸出電壓應(yīng)不小于 0.5Vpp(0.177Vrms)。

 

供電電源形式。采用+5V單電源供電以降低供電電源的復(fù)雜性。

 

1.3 實(shí)現(xiàn)方案

 

光電接收器采用PIN光電二極管，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉的特點(diǎn)。放大電路由光電轉(zhuǎn)換跨阻放大器和電流反饋型高速放大器組成。電路如圖1所示。

 

2 第一級(jí)放大電路和PIN光電二極管

 

PIN光電二極管D1、電阻R3和電壓反饋型運(yùn)放U1等組成電流-電壓轉(zhuǎn)換器即跨阻放大器。

 

忽略光電管漏電流影響，放大器輸出電壓為：

 

(1)

 

其中Ip為PIN管光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)電流。

 

電壓反饋型放大器組成的跨阻放大器與單純電壓反饋型放大器相比，具有更好的的頻率響應(yīng)。其高頻截止頻率為：

 

(2)

 

其中GBP為U1的增益帶寬積，Ci為光電二極管結(jié)電容C0和U1的輸入電容之和。

 

C2為跨阻放大器的相位補(bǔ)償電容，可由下式求出：

 

(3)

 

因R3和PCB存在寄生電容，故C2的最終取值應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

 

U1選用低成本、高性能電壓反饋型放大器AD8057，具有高速、低噪聲、低失真和低功耗的特點(diǎn)。其輸入電容為2pF、5V單電源供電時(shí)GBP為300MHz。

 

分壓電阻選R1=R2，則=+2.5V。光電二極管D1工作于反偏工作狀態(tài)，有利于減少結(jié)電容從而提高頻率響應(yīng)。

 

PIN光電二極管的選取應(yīng)從高速響應(yīng)特性、光譜接收特性等方面考慮。這里選用OSRAM公司的BPW34。其上升、下降沿時(shí)間為20ns。對(duì)于400nm-760nm的可見(jiàn)光波長(zhǎng)，相對(duì)光譜靈敏度>10%。

 

由BPW34數(shù)據(jù)規(guī)格表中的電容特性曲線(xiàn)可求出當(dāng)VR=2.5V時(shí)，電容C0=28pF。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可測(cè)得當(dāng)所采用的LED光源光照度為50lx時(shí)IP=0.23μA(VR=2.5V)。

 

3 第二級(jí)放大電路

 

由電流反饋型運(yùn)放U2組成。電流反饋型運(yùn)放較電壓反饋型運(yùn)放相比，帶寬隨增益變化較小，高增益時(shí)仍能保持高帶寬。

 

本級(jí)電壓增益為：

 

(4)

 

U2選用低成本、高速、高性能電流反饋型放大器ADA4860-1，具有優(yōu)良的綜合性能。

 

根據(jù)ADA4860-1數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可按表1選取電阻值。

 

4 電路總頻響和輸出電壓

 

高頻響應(yīng)：

 

(5)

 

輸出電壓：

 

(6)

 

5 設(shè)計(jì)實(shí)例和測(cè)試

 

取f1=5MHZ，由公式(1)(2)(3)可計(jì)算出第一級(jí)放大器的R3=63.7kΩ、C2=0.11pF、50lx調(diào)制光照下的輸出電壓U01=15mVrms。

 

根據(jù)靈敏度設(shè)計(jì)要求，由公式(6)可求出A2應(yīng)大于177/15=11.8。取A2=20，則U02=300mVrms。由表1可得R5=348Ω，R4=18.2Ω，f2=70MHz。

 

由公式(5)可計(jì)算出電路頻響fH=4.5MHz。

 

按上述相關(guān)計(jì)算值選取元件，實(shí)測(cè)電路-3dB高頻響應(yīng)頻率為3.8MHz。當(dāng)信號(hào)頻率為1MHz、LED光源光照度為50lx時(shí)，實(shí)測(cè)電路輸出電壓為310Vrms。電路工作總電流實(shí)測(cè)為10mA。

 

由于R3和PCB寄生電容降低了第一級(jí)放大器頻響，電路頻響的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值存在一定誤差。在設(shè)計(jì)時(shí)頻響的取值應(yīng)留有余量。改變U1、U2頻響和增益的設(shè)計(jì)組合參數(shù)，選取相應(yīng)的元件值，電路頻響可達(dá)10MHz。

 

6 結(jié)語(yǔ)

 

設(shè)計(jì)的電路分別采用兩種不同類(lèi)型的放大器，充分發(fā)揮了各自的特點(diǎn)。在保證高速、高增益、低噪聲的同時(shí)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)電路已申請(qǐng)專(zhuān)利，目前已應(yīng)用于基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的計(jì)量?jī)x器數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)。

光電二極管范文第5篇

光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。

發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。此外，光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由

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