低噪声光电检测电路.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 课 程 光电检测技术 题 目 低噪声光电检测电路的设计 院 系 电子科学学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学生学号 指导教师 2013年3月1日 第1章 概述 1.1 光电二极管的工作原理概述 光电二极管工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。 1.2 基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的意义 经过光电二极管转换的电信号通常都比较微弱，微弱光电信号检测的光电流一般为nA至μA级，检测微弱光电信号很容易受噪声的干扰。若待检测的光信号非常微弱，则对电路的线性和信噪比的要求就非常高。研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器件和前置放大电路的噪声对系统影响比较大。例如，在靶场测试中，弹丸射击密集度是衡量低伸弹道武器性能的一项重要指标。到目前为止，国内靶场用于密集度测量已有多种方法，最先进的方法是采用光电靶进行测量。在设计光电检测电路时，要尽量减少噪声，提高系统的信噪比和检测分辨率。研究结果表明，在光电检测电路中，光电转换器和前置放大电路的噪声对系统的影响比较大，但对噪声源的分析及设计低噪声光电检测电路的论述并不全面。本文分析了基于光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，提出了低噪声光电二极管检测电路的设计原则与设计方法。在测试中，光电靶的灵敏度直接影响整个系统的测量精度，而影响光电靶灵敏度的关键因素就是信号调理电路中放大电路的放大倍数和信噪比，因此设计性能良好的前置放大电路对整个测试系统有着非常重要的作用。可见良好的低噪声光电检测电路的设计在很多方面都发挥着重要的作用。 1.3 基于光电二极管的低噪声光电检测电路设计的前景展望 通过分析光电二极管光电检测电路中噪声产生的原因、特点，征对设计过程出现的各种问题，提出低噪声光电二极管检测电路设计原则与设计方法。在设计光电检测电路时，要尽量减小噪声，提高系统的信噪比和检测分辩率。微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，应用光电检测技术来检测微弱光信号具有精度高、稳定性好等优点。 第2章 光电二极管工作原理及电路设计原理 2.1 光电二极管的主要工作原理 光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。 它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 光电二极管作为一种光伏探测器可以在光伏型（即物外加偏压）和光导型（即外加反向电压）两种工作模式工作。在光导模式下，施加反向偏压后，可以增加光电二极管PN结的耗尽层宽度好和结电场，在耗尽层中产生的电子空穴对由于复合较少，在结区强电场的作用下，不必经过引起复合的扩散过程，就可以对电流作出贡献，显然提高了光电二极管的光电灵敏度。但在这种模式下，由于给光电二极管施加了反向偏置电压，必然存在较大的暗电流，由此会产生较大的噪声电流，通常在光电通信等快速应用中应该使用该模式；而在光伏模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在等效二极管的反偏电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量。下面详细的介绍光电二极管的光伏型工作模式。 2.2 光伏模式检测电路的分析 光电二极管的光伏检测电路及其等效电路如图1