基于光電二極管檢測(cè)電路的噪聲分析與電路設(shè)計(jì)

張俊杰（漢口學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢,430000）

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基于光電二極管檢測(cè)電路的噪聲分析與電路設(shè)計(jì)

張俊杰
（漢口學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢,430000）

摘要：光電二極管可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，它主要是通過半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化步驟的。通過光電二極管對(duì)電路的噪聲進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義，就主要分析光電二極管對(duì)電路的噪聲檢測(cè)的價(jià)值，同時(shí)簡(jiǎn)單的分析相關(guān)的電路設(shè)計(jì)問題，希望所得結(jié)果能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：光電二極管；電路噪聲；電路設(shè)計(jì)

1 光電二極管檢測(cè)電路噪聲的分析

1.1 光電二極管的工作原理光電二極管通過光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其主要通過半導(dǎo)體PN結(jié)來實(shí)現(xiàn)這一光電效應(yīng)。耗盡層兩側(cè)沒有電場(chǎng)的中性區(qū)內(nèi)，因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)的影響，存在一部分光生電子與空穴以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)入耗盡層，之后在電場(chǎng)的作用之下，形成和漂移電流方向相同得擴(kuò)散電流。漂移電流的分量和擴(kuò)散電流的分量總和就是光生電流、。因此，當(dāng)P層與N層的連接電路打開的時(shí)候，它們的兩端會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，而這種效應(yīng)便被稱之為光電效應(yīng)。如果連接的電路出現(xiàn)閉合，那么N區(qū)域內(nèi)的過剩電子會(huì)通過外部電流區(qū)域流向P區(qū)，同理也可以得出，P區(qū)的空穴電流也會(huì)留下N區(qū)，這樣便會(huì)形成一種光生電流，當(dāng)其入射光發(fā)生變化的時(shí)候，光生電流會(huì)隨著變化進(jìn)行線性改變，能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

1.2 光電二極管的低噪聲光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的意義

通過光電二極管的轉(zhuǎn)換，一般情況下，其轉(zhuǎn)換而得的電信號(hào)比較弱，但這種微弱光電信號(hào)檢測(cè)的光電流一般為nA～μa級(jí)別的，而在檢測(cè)微弱光電信號(hào)的時(shí)候，光電信號(hào)很容易受到噪聲的干擾。如果帶檢測(cè)的光信號(hào)非常微弱，那么可能會(huì)對(duì)電路的線性和信噪比的要求產(chǎn)生影響，而電路的線性和信噪比要求一般情況下較高。有研究表明，采用光電對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，光電轉(zhuǎn)換器件的前置放大電路噪聲對(duì)于系統(tǒng)造成等影響較大。比如說，在靶場(chǎng)測(cè)試當(dāng)中，彈丸的射擊密度一般是對(duì)低伸彈道武器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。但是在當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的靶場(chǎng)一般采用密集度測(cè)量等方法進(jìn)行測(cè)量，而且這類方法有很多，較為先進(jìn)的方法是通過光電靶進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡可能的降低噪聲，以此來提升系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)分辨率。

同時(shí)也有研究表明，在進(jìn)行光電檢測(cè)電路的時(shí)候，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器與前置放大電路的噪聲比會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大的影響，但是其對(duì)于噪聲源的分析與設(shè)計(jì)，以及對(duì)低噪聲光電檢測(cè)電路的理論論述并不全面。因此需要對(duì)基于光電二極管光電檢測(cè)電路中噪聲所產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)提出低噪聲光電二極管檢測(cè)電路的相關(guān)設(shè)計(jì)。這能夠在測(cè)試中，降低電路的噪聲，提高檢測(cè)的精度，是良好的低噪聲光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)在各個(gè)方面都能夠發(fā)揮出較好的應(yīng)用。

1.3 光電二極管檢測(cè)電路噪聲的實(shí)用性分析

采用光電二極管的光電檢測(cè)對(duì)電路中的噪聲產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)其噪聲的特點(diǎn)，針對(duì)設(shè)計(jì)的過程所出現(xiàn)的各種問題，提出在低噪聲光電二極管檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)候的設(shè)計(jì)方法。所以在設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的時(shí)候，需要盡量的減少噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)分辨率。微弱的光信號(hào)檢測(cè)在許多領(lǐng)域當(dāng)中都有所涉及，其檢測(cè)的方法也具有多樣性，但一般常用的方法都因?yàn)殪`敏度有限，難以滿足相關(guān)的要求，采用光電技術(shù)檢測(cè)微弱光信號(hào)具有較高的精度，其穩(wěn)定性也相對(duì)較好。

2 光電二極管檢測(cè)電路噪聲的電路設(shè)計(jì)研究

2.1 分析電路的噪聲

因?yàn)閷?dǎo)電材料當(dāng)中載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，使得在材料兩端所產(chǎn)生的隨機(jī)漲落電壓或電流稱之為熱噪聲。熱噪聲的電壓均值一般取決于材料的溫度電阻和噪聲的等效帶寬，它的一般關(guān)系是主要為“”，在這個(gè)式子當(dāng)中，K是玻爾茲曼常數(shù)，T是材料的絕對(duì)溫度，R（f）是供電電路檢測(cè)當(dāng)中的總電阻隨頻率f的變化關(guān)系。在純電阻情況下，R（f）和頻率不相關(guān)，所以會(huì)有“”，如果T=300K，那么KT=4.14×10-21J，這時(shí)候電阻的熱噪聲電壓和熱噪聲電流的均值分別為“”和“”。在這個(gè)事當(dāng)中，f是噪聲的等效帶寬，而通過“”和“”能夠得出，和與、及f有關(guān)，電阻是主要的熱噪源，在不變時(shí)，減少f和的值可有效減少熱噪聲。這樣如果在室溫之下，那么對(duì)于30KΩ的電阻來說，其電路的放大倍數(shù)如果為1，那么其輸出的熱噪聲將為電壓的有效值，其在電路同頻帶的時(shí)候，那么會(huì)有“”和“”，在這種形態(tài)之下，對(duì)nw級(jí)進(jìn)行測(cè)量是非常困難的。除此之外，電路的噪聲還涉及到散粒噪聲、總噪聲電流均方值、外部噪聲和放大電路的噪聲等，需要充分的對(duì)電路當(dāng)中的各種噪聲的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，才能夠更好的對(duì)光電檢測(cè)的電路信噪比進(jìn)行計(jì)算和了解，以便于更好的對(duì)光電檢測(cè)電路的器件參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)而使其更好的滿足相關(guān)設(shè)計(jì)的需求。

2.2 電路參數(shù)的選擇

在無偏壓的情況下，將光電二極管選擇為“UV-040B”型號(hào)的硅光電二極管。其結(jié)面積為,，噪聲電流，，在保證要求的情況下選擇和較大的光電二極管，提高信噪比。采用非常低噪聲的運(yùn)算放大器（OPA725）進(jìn)行運(yùn)算，這種運(yùn)算具有較好的低偏置電流，具有良好的低漂移特性。在室溫下，如果輸入噪聲的電壓密度為“”，那么輸入噪聲的電流密度為“”。

所以在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，一方面需要選擇相應(yīng)的電機(jī)插件，同時(shí)也需要對(duì)光電信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行考慮，這樣才能夠設(shè)計(jì)出符合要求的低噪聲光電檢測(cè)電路。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究主要就光電二極管檢測(cè)電路噪聲的相關(guān)情況進(jìn)行分析，同時(shí)就，基于光電二極管檢測(cè)電路的噪聲電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，筆者認(rèn)為，需要合理地選擇相關(guān)的電路插件，充分的考慮光電信號(hào)的特點(diǎn)，以此來設(shè)計(jì)出符合降低噪聲光電檢測(cè)的線路是十分必要的，因此需要研究人員不斷的努力探索，并在工作中做到認(rèn)真負(fù)責(zé)。

參考文獻(xiàn)

[1]霍戌文,李偉,李進(jìn),陳科.光電探測(cè)微信號(hào)放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,14(03):487-489.

[2]劉正岐,付文羽.影響光電檢測(cè)電路信噪比的因素[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)

Noise analysis and circuit design based on photodiode detection circuit

Zhang Junjie
（School of mechanical and electrical engineering, Hankou College HubeiWuhan,430000）

Abstract：The photodiode can be light signals are converted to electrical signals.It is mainly through the photovoltaic effect of semiconductor pn junction to achieve the conversion step.Through the photoelectric diode on the circuit noise detection has important significance is an analysis of the value of photoelectric diode on the circuit noise detection,and simply analysis related circuit design problems, I hope the results could provide valuable reference for the related fields.

Keywords：photodiode;circuit noise;circuit design