一种弱光信号光电检测系统的设计

一种弱光信号光电检测系统的设计

1 引言

光的信息就存在于光强和相位中。而相位信息又是通过干涉转化成强度信息进行测量的，故光强的测量是很重要的检测目标。

光强变化的检测要针对光的变化特性进行设计。第一，入射光从频谱方面分析有单色的，有白光的，有特定光谱的；第二，光强有缓变和快变之分，一天之中日光强度的变化就属于缓变，再快一点的话如屏幕上木一个像素点随动画播放强度的变化，更快的还有人眼无法识别的，这将涉及到器件的响应度；第三，光强有变化幅度的问题，变化幅度有大有小针，这将涉及到器件的灵敏度；第四，光强的静态点，如果静态点在零点，且属于小幅度变化便属于微光检测。本段是对光源的分析，这是设计的目的，理想的检测是能针可以检测任意光强处，光强度的极高频极微弱变化，显然这是无法达到的，只对特定的需求进行设计。

光电检测的第一步是分析光，及其设计目标。第二步是光感应器件。第三步是配套电路。光电器件涉及到半导体，光与物质间的作用和原件制备工艺与技巧等知识,这些会影响器件的性能误差等参数。再根据电子技术知识，通过电路优化消除误差，可得出理想的电路。误差的来源有光电器件的非线性性质，外界温度，放大器件本身的噪声。

能感应光强的器件有：光敏电阻，光电池，光电二极管（PIN管，雪崩管等），复合光电三极管，光电三极管。其中响应最慢的是光敏电阻，他不但惯性大，还具有前历效应。本实验选用光电二极管，它具有较快的动态响应。

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是，在电路中它是通过它把光信号转换成电信号。光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光强的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

本试验采用光电二极管，完成对低频微弱光信号的检测。对微弱或极微弱光的检测, 在科学研究，生活应用和军事等领域有广泛的应用。为将微弱光信号转换为电信号以方便后级电路处理, 设计了针对于微弱光信号检测电路。电路由光电转换和前置放大两部分组成。该放大电路设计可有效放大低于1nW的微弱输入信号, 同时对噪声也有很强的抑制作用。

微弱光信号检测的一般办法是通过光电转换器件将微弱的光信号转换成为微弱电信号, 然后再通过电路放大, 将这个微弱电信号转变为可处理的电信号。微弱光信号检测的难点在于光电信都很微弱，所以制作低噪声、高精度光电放大器是关键所在。

现在一般采用光电转换电路和前置放大电路组成放大器的方法, 并且多采用专用集成电路来构建电路。全部采用专用集成电路的方法缺乏灵活性, 在有些应用

中并不十分合适, 因此本文比较了专用集成电路和相对分立的元器件构成。前置放大电路采用两种方式：一种使用对管和高精度集成运放OP07构成对数的放大电路；另一种使用专用集成电路LOG100。实际表明在输入为微弱光信号情况下, 分立电路更能有效抑制干扰信号, 并为后继处理输出有效信号。

2 基本原理

电路由光电转换和前置放大两部分组成。光电转换电路采用低输入偏置电流运算放大器AD549实现；前置放大电路使用对称三极管组成的对数比率放大电路实现，并在同等条件下与集成电路LOG100组成的前置放大电路相比较。

2.1 光电二极管的技术参数

1.最高反向工作电压；

2.暗电流；

光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流.(它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流.)

3.光电流；

4.灵敏度；

5.结电容；

6.正向压降；

7.响应度

响应度是光生电流与产生该事件光功率的比。工作于光导模式时的典型表达为A/W。响应度也常用量子效率表示，即光生载流子与引起事件光子的比。

8.噪声等效功率

噪声等效功率（NEP）等效于1赫兹带宽内均方根噪声电流所需的最小输入辐射功率，是光电二极管最小可探测的输入功率。

9.频率响应特性

光电二极管的频率特性响应主要由3个因素决定： a.光生载流子在耗尽层附近的扩散时间； b.光生载流子在耗尽层内的漂移时间；

c.负载电阻与并联电容所决定的电路时间常数。

光电二极管与光电倍增管相比，具有电流线性良好、成本低、体积小、重量轻、寿命长、量子效率高（典型值为80%）及无需高电压等优点，且频率特效好，适宜于快速变化的光信号探测。不足是面积小、无内部增益（雪崩光电管的增益可达100~1000，光电倍增管的增益则可达100000000）、灵敏度较低（只有特别设计后才能进行光子计数）以及相应时间慢，且工艺要求很高。

光电二极管和一般的半导体二极管相似，可以暴露（探测真空紫外）或用窗口封装或由光纤连接来感光。

2.2

光电二极管的种类

PN型

特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。

用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度

计、照相机曝光计。

PIN型

特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应

用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传

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