硅光二极管光电检测电路的研究与设计_郑培超

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重 庆 邮 电 大 学 学 报（ 自然科学版）
第 25 卷
并起到 减 小 检 测 电 路 带 宽， 抑制噪声干扰的作 用
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由以上分析可得， 在放大电路输出端的电压总 等效噪声 V n 为 Vn = I ns R f 槡
2 2 2 2 2 2 2 + I2 rs R f + I n R f + E n + V fn = 2 2 2 + 4 KT / R d + i2 n + e / R d + 4 KT / R f ） R f Δ f
， 该技术主要通过将照射
பைடு நூலகம்
于光电二极管上的光信号转化为相应的光电流信 号， 再通过电流电压信号转换、 放大、 滤波等后续电 最终实现对原始光信号的检测分 路进一步 优 化， 析
［2 ］
。
0423 修订日期： 20130620 通讯作者： 郑培超 Email: zhengpc@ cqupt． edu． cn 收稿日期： 2013CSTC2012JJA50033 ) ; 南 岸区 科技 攻 关 项 基金项目： 国家自然科学基金( 61205149 ) ; 重庆市自然科学基金( CSTC2010BB9397 ， 目; 重庆市教委科技项目( KJ120509 ) ; 海洋光学 Blue Ocean 创新基金 Foundation Items: The Natural Science Foundation of China ( 61205149 ) ; The Natural Science Foundation Project of CQ CSTC ( CSTC2010BB9397 ，CSTC2012JJA50033 ) ; The Science and Technology Project of Nan＇an District; The Science and Technology Research Project of Chongqing Municipal Education Commission of China ( KJ120509 ) ; The Blue Ocean Grants sponsored by Ocean Optics Inc．
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1． 1
电路特性分析
线性响应分析 在各种应用光电检测的实验或项目中， 为了较
准确评估被测量， 常要求光敏器件有良好的线性输 出响应， 即使光生电流尽可能低损耗地转换为输入 外部负载的输出电流， 因此对其光电检测电路输出 的线性响应分析尤为重要。 理论上， 硅光二极管结 构上可等效为一个恒流源与其自身分流结构相并联 的形式， 结合光电二极 管 探 测 器 SPICE （ simulation program with integrated circuit emphasis ） 等 效 模 型
特性的基础上， 提出了对相关器件选型和电路设计形式的基本要求， 并 以 硅 光 二极 管 探 测 器 件 DET36A 及 低 噪声、 高精度运放芯片 ICL7650 为例设计测试了一种 可 方 便 嵌入 应 用于 微 弱 光 环境 下 的光电 检 测 电 路。 经 过 实 验 测 试 表明， 在 0． 1 ～ 10 Lux 低照度弱光照射下， 该电路具有较好的低噪声输出特性和良好的线性响应。 关键词： 硅光二极管; 低噪声; 线性; ICL7650 中图分类号： TN29 ； TM933 文献标识码： A 825X( 2013 ) 04048405 文章编号： 1673-
［8 ］
， 可将由硅光二极管探测器件组成的光电检测
I 为等 电路简化为如图 1 所示的等效模型。图 1 中， 效恒流源； D 为等效理想二极管结构； R d 是硅光电 二极管的分流电阻， 其值与硅光二极管尺寸大小有 R d 越大； 关， 且受温度影响， 温度越低， 结面积越小， C d 为硅光二极管结电容， 其值受所加偏压和结面积 C d 越小， R s 为其等效 偏压越大， 结面积越小， 影响， C L 分别 其值也与其偏压及结构有关； R L ， 串联电阻， 为后续检测电路等效负载电阻和等效负载电容
［9 ］
。
图1 Fig． 1
硅光二极管等效检测电路结构
载尽量满足 R L = 0 才能保证检测电路输出端具有良 好的线性响应。因此， 根据运放电路正常工作时输 “虚短” 特性， 可将硅光二极管跨接于运放电路 入端 正反相输入端， 其检测电路原理图如图 2 所示。 图 2 中， R f 为反馈电阻； C f 为反馈电容， 并联在 R f 两 端， 可有效防止因 R f 过大而引起的检测电路自激，
Abstract： In order to meet the requirement of light signal detection with higher precision， the linear response and noise characteristics of photoelectric detection circuit using silicon photodiode was analyzed，and the basic requirements of the related devices selection and the form of circuit design was suggested． The silicon photodiode detector（ DET36A） and operational amplifier chip with low noise and high precision （ ICL7650 ） were used to design a simple photoelectric detection circuit for weak light environment． The experiment result shows that the circuit has the characteristics of low noise and good linear response with the weak light intensity in the ranger of 0． 1 ～ 10Lux． Key words： silicon photodiode； low noise； linearity； ICL7650
［11 ］
文从硅光二极管光电检测电路线性响应和噪声特性 2 个方面， 对微弱光电检测中电路结构形式和器件 芯片选择的相关要求做了详细分析， 并应用新 PIN 型硅光二极管型探测器件 DET36A 搭配低噪声、 高 增益的 ICL7650 芯片， 设计测试了一种结构简单、 输 出特性优良的光电检测电路， 且实验测试表明， 在搭 该检测电路可方便应 配一个凸透镜做聚光处理后， 用于微弱光检测工程环境。
Equivalent detection circuit of silicon photodiode
当所加光信号为微弱低频光信号时， 经光电探 测器输出后， 光电流将变为几纳安到几微安之间的 微弱直流信号
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， C L 的分流影响 所以， 图 1 中 Cd ，
可略去不计。 图 1 中流过等效理想硅二极管 D 及
0
引
言
硅光二极管探测器件因其具有响应快、 灵敏度 高、 线性好、 噪声低等优点而常被作为光电检测系统 中的核心器件
［3 ］
近年来， 以光电探测器件为核心的光电检测技 术已经被广泛地应用到军事、 工业、 农业、 环境科学、 医疗和航天等诸多领域
［1 ］
， 但若所测得光信号较微弱时， 常
需要外接光电放大电路， 而由于器件芯片选型及设 计电路结构的不同， 输出端电信号易受检测电路中 阻抗分流及各种噪声叠加影响， 常使光电检测电路 线性响应度变差或信噪比过低。 目前， 很多文献主 要从分析光电检测电路的噪声特性角度 ， 阐述了光 但对其线性响应的分析及 电检测电路的设计方法 ，
第4 期
郑培超， 等： 硅光二极管光电检测电路的研究与设计
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相关光信号实测结果未加详细说明
。 因此， 本
I rd 可表示为 并联电阻的电流 I d ， I d = I0［ e qU d / AkT － 1］ = I0［ e U d / AVT － 1 ］ （ 1 ） I rd = U d / R d = I L （ R s + R L ） / R d （ 2） （ 1 ） 式中： I0 为硅光二极管加偏压后的反向饱和电 流， 即无光照时的暗电流， 其值与硅光二极管自身结 结面积越小， 暗电流 I0 越小； q 为电子电 面积有关， 量； k 是玻尔兹曼常数； U d 为加在硅光二极管上的 电压； A 为一常数， 对于由硅材料制成的光电二极 ， 其值约等于 2 ； 而 V T = KT / q ≈0 ． 026 V， 则负 载上的电流 I L 可表示为 管 I L = I － I d － I rd = e I L（ R S +R L） / AVT － 1］ － I － I0［ IL （ Rs + RL ） / Rd （ 3） 由（ 3 ） 式可知， 流过负载上的电流 I L 受硅光二 极管结构分流及自身阻值影响， 在硅光二极管受光 辐射后， 其检测电路输出电流不能较好地满足与入 ， 射光强的线性关系， 但若取 R L = 0 ， 则（ 3 ） 式变为 I L = I － I0 （ e I LR s / AVT － 1 ） － I L R s / R d （ 4） 可见， 若选择暗电流 I0 极小、 串联等效电阻 R s R d 较大的硅光二极管， 较小、 由于其结面积较小， 使 这 其输出光电流 I L 大小一般只在几十到几百纳安， 因此， 可获 将基本可以保证 I L R s AV T 及 I L R s R d ， 得 I L = I， 即使得检测电路输出电流近似为经理想线 性转换的等效光电流。 因此， 为了提高硅光二极管检测电路输出端线 性度， 则需满足： 1 ） 接在硅光二极管端负载 R L = 0 ； 2 ） 选择的硅光二极管要尽量满足暗电流 I0 极 小、 并联分流电阻 R d 较大、 串联电阻 R s 较小的条 件。 1． 2 噪声特性分析 为了尽可能检测出混杂在检测电路噪声中的微 其电路噪声特性分析必不可少。 通 弱光电流信号， 过对硅光二极管检测电路线性等效模型分析可知 ， 在由硅光二极管探测器件接受光通量信号并将其转 换为电信号输出过程中， 要求硅光二极管输出端负
Vol． 25 No． 4 第 25 卷第 4 期 重庆邮电大学学报（ 自然科学版） 2013 年 8 月 Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications（ Natural Science Edition） Aug． 2013
DOI： 10． 3979 / j． issn． 1673825X． 2013． 04． 013
硅光二极管光电检测电路的研究与设计
郑培超， 于 斌， 刘克铭， 代 玉， 王金梅
（ 重庆邮电大学 光电工程学院 重庆高校光纤通信技术重点实验室 重庆 400065 ）
摘
要： 为了满足对较微弱光信号高精度的检测要求， 在 详细 分析了 硅 光 二极 管光电 检 测 电 路 的 线性 响 应及噪声
Design of silicon photodiode photoelectric detection circuit
ZHENG Peichao，YU Bin，LIU Keming，DAI Yu，WANG Jinmei
（ College of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Key Laboratory of Optical Fiber Communication Technology，Chongqing Education Commission，Chongqing 400065 ， P． R． China）