应物 勇-基于光敏二极管光电检测电路的设计

东北石油大学课程设计

2013年3月1日

大庆石油学院课程设计任务书

课程光电检测技术

题目基于光敏二极管光电检测电路的设计

专业应姓名学号

主要内容：

利用光敏二极管、低噪声放大器及单片机等电子器件，设计一光电检测电路，实现光电信号的自动检测。

基本要求：

1）利用光敏二极管及低噪声放大器等电子器件工作。

2）研究单片机与光电转换电路的接口特性。

3）设计光敏二极管光电检测电路。

4）撰写总结报告。

主要参考资料：

1）陈有卿编著. 新颖集成电路制作精选[M].人民邮电出版社, 2005.4.

2) 陈振官，陈宏威等编著.光电子电路制作实例[M]. 2006.4.

3) 黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用[M]. 2006.10.

完成期限2013.2.25~2013.3.1

指导教师

专业负责人

2013年2月25日

第1章概述

光电二极管（Photo-Diode）是二极管的一种，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。可用于光强度探测，光控开关的感光元器件，作用与光敏电阻相似。

1.1、光电二极管的意义

光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT 扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。

1.2、光电检测技术的发展前景

（1）、发展纳米，亚纳米高精度的光电测量新技术。

（2）、发展小型的，快速的微型光，机，电检测系统。

（3）、非接触，快速在线测量。

（4）、发展闭环控制的光电检测系统。

（5）、向微空间或大空间三维技术发展。

（6）、向人们无法触及的领域发展。

（7）、发展光电跟踪与光电扫描技术。

第2章光电二极管工作原理

2.1、光电转换原理

根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。

2.2、光敏二极管的两种工作状态

光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。它具有两种工作状态：

（1）当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。

（2）光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，一般作光电检测器。

光敏二极管分有P-N结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型，其中用得最多的是P-N结型，价格便宜。

光信号放大和开关电路

2.3、光敏二极管应用与检测

光敏二极管工作时加有反向电压，没有光照时，其反向电阻很大，只有很微弱的反向饱和电流（暗电池）。当有光照时，就会产生很大的反向电流（亮电流），光照越强，该亮电流就越大。光敏二极管是一种光电转换二极管，所以又叫光电二极管。测量光敏二极管时，先用黑纸或黑布遮住光敏二极管的光信号接收窗口，然后用万用表的R×1k档其正、反向电阻。正常时，正向电阻值在10~20kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。再去掉黑纸或黑布，使其光信号接收窗口对准光源，正常时正、反向电阻值均会变小，阻值变化越大，说明该光敏二极管的灵敏度越高。

2.4、主要技术参数

1.最高反向工作电压；

2.暗电流

3.光电流；

4.灵敏度；

5.结电容；

6.正向压降；

7.响应时间；

主要特性曲线图：

第3章光电检测电路电路设计

3.1、光检测电路的基本组成和工作原理

设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。

在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。

图中的放大系统将电流转换为电压，即

VOUT = ISC ×RF （1）

图1 单电源光电二极管检测电路

式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。