光电2极管的低噪声电路设计百度.docVIP

大 庆 石 油 学 院 课 程 设 计 2010年 3 月 20 日 目 录 第1章 概述 3 第2章 光电二极管工作原理及电路设计原理 4 第3章 低噪声光电检测电路设计 7 第4章 安装与调试 13 第5章 结论 15 概述 1.1 光电二极管的工作原理的简单概述 光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导体PN结的光电效应实现的。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。 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。是光电二极管接受光辐射后所产生的光电流；是串联电阻，由接触电阻、非耗尽层材料的体电阻所组成，大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，偏压越大，耗尽区越宽，越小，对于大面积的硅光电二极管，的值一般在几欧姆至几十欧姆之间；是光电二极管的结电容，它的大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，可从几千皮法的几千皮法之间变化；是光电二极管的并联电阻，由光电二极管耗尽层电阻和污染引起的漏电阻所组成。它也是所温度的变化而变化，与光电二极管尺寸有关，结面积越小，越大；温度越高，越小。对不同光电二极管的数值变化范围很大，可从几十千欧到上百兆欧；D为PN结等效二极管，为负载电阻。 图1 光电二极管的光伏模式和等效电路 在图1中，光电二极管等效电路通过等效二极管D的电流为 (1) A是有关常数，对于硅光电二极管，称为热电压。 由图1可知，流过负载电阻上的电流为 (2) 由公式（2）可知光电二极管接受光辐射时输出的负载电流和光生电流并非线性关系。如果去负载电阻为零，即输出短路的条件下，由于，则公式（2）可化简为 (3) 如果二极管的反向饱和电流很小，而输出电流不大，即保持时，可得 (4) 即输出电流接近光生电流，也就是线性好。因此在实际使用光电二极管进行测量时要选取大、小和小的光电二极管，并在输出短路状态下工作。 低噪声光电检测电路设计 电路的噪声分析 热噪声 由导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压或电流称热噪声，热噪声电压均方值取决于材料的温度、电阻及噪声等效带宽，其一般关系式为 (5) 式中：K为波尔兹曼常数；T为材料的绝对温度；为光电检测电路中的总电阻随频率的变化关系，纯电阻时，与频率无关，则 (6) 当时，,电阻的热噪声电压和热噪声电流的均方值分别为 (7) (8) 式中：为噪声等效带宽。由式(3)和式(4)可以看出，和与、及有关，电阻是主要的热噪源，在不变时，减少和的值可有效减少热噪声。如在室温下，对于的电阻，如果电路的放大倍数为1，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带时，为 (9) (10) 在这种状态下，进行nw(或pw)级的测量将很困难。 散粒噪声 由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声电压均方值和电流方值分别为 (11) (12) 式中：q为电子电荷量；I为通过光电二极管的电流平均值，包括光电流、暗电流及背景光电流的平均值。 若只考虑光电流，令，，则散粒噪声电流,电压为。由式(11)和式(12)可知，散粒噪声电流和电压的均方值与及I成正比，减少和可有效降低散噪声。 总噪声电流