畢業(yè)設(shè)計(jì)--光信號(hào)示波器接收頭研制的設(shè)計(jì)

1、<p>　　光信號(hào)示波器接收頭研制</p><p><b>　　的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　Graduation Design(Thesis) of Chongqing University</p><p>　　Design of Light signal oscilloscope </p><p>　

2、　receiver development</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　光電傳感器是將光轉(zhuǎn)化成電的器件。由于它的精度高，反應(yīng)快，在軍事、民用電器和工業(yè)控制上的應(yīng)用十分廣泛。本文首先分析了光電傳感器的特點(diǎn)、分類(lèi)和發(fā)展現(xiàn)狀，提出使用PIN光電二極管的原因，并詳細(xì)介紹其特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)要求下，分析實(shí)現(xiàn)的方法和途徑。由于PIN光電二極管輸

3、出為電流，而示波器顯示一般用電壓，所以用電流-電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。這樣就能實(shí)現(xiàn)在示波器上顯示光信號(hào)了，即達(dá)到了目的。</p><p>　　在整個(gè)電路中也要考慮放大的問(wèn)題。但是在實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換的時(shí)候，用的電流-電壓反饋電路，我們可以在反饋電阻的使用上達(dá)到目的，即在光電二極管的光電流一定的前提下，反饋電阻越大，電壓越大。同時(shí)，我們還可以根據(jù)示波器本身電壓倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，來(lái)達(dá)到放大電路的目的。</

4、p><p>　　任何電路都不能離開(kāi)電源。在本設(shè)計(jì)中，要使用到集成運(yùn)放CA3140。我們使用220V-9V的變壓器，再利用交流直流轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，并用電容調(diào)整波形，最后提供直流電源。</p><p>　　當(dāng)然，上面所提到的只是設(shè)計(jì)的思路，我們還需要仿真模擬。在本設(shè)計(jì)中，我們使用了電路仿真軟件multisim。在該軟件中，我們得到了理想的仿真結(jié)果，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。</p>

5、;<p>　　關(guān)鍵詞： PIN光電二極管，電流電壓轉(zhuǎn)換，multisim仿真軟件</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The electro-optical sensor is the component which convertes the light into electricity. Because it’s

6、 highly precision, responds quickly, it is extremely widespread in the military, the civil electric appliance and the industry control application .This article has first analyzed the electro-optical characteristic, the

7、classification and the present situation of development, then proposed the reason using the PIN photodiode, and gave details of its features. Under the design request, analysis rea</p><p>　　In the entire ele

8、ctric circuit also must consider the problem of amplification. But in achieving the current-voltage conversion, with the current-voltage feedback circuit we may reach the goal in the feedback resistance using, namely pre

9、mise the photoelectric current certainly, the feedback resistance is bigger, the voltage is greater. Meanwhile, we can also adjusted oscilloscope itself multiple voltage to achieve the purpose amplifier.</p><p

10、>　　Any electric circuit needs the power source. In this design, integrated operational amplifier CA3140 needs power. we use 220V-9V transformer, AC to DC conversion, and capacitance adjustment the wave. </p>&l

11、t;p>　　Certainly, above mentioned is only the design mentality, we also need the simulation. In this design, we have used circuit simulation software 'multisim'. In this software, we obtained the ideal simulati

12、on result, has met the design requirements.</p><p>　　Key words： PIN photodiode, Current—voltage conversion</p><p>　　Multisim Simulation Software </p><p><b>　　目 錄</b>&

13、lt;/p><p><b>　　中文摘要Ⅰ</b></p><p>　　ABSTRACTⅡ</p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1 光電傳感器1</p><p>　　1.1.1光電傳感器的原理1</p><p>

14、　　1.1.2 光電傳感器的分類(lèi)1</p><p>　　1.1.3光電傳感器的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 光探測(cè)器2</p><p><b>　　1.3主要工作4</b></p><p><b>　　1.4實(shí)現(xiàn)途徑4</b></p><p>　　2

15、 PIN光電二極管6</p><p><b>　　2.1光電效應(yīng)6</b></p><p>　　2.1.1光電導(dǎo)效應(yīng)6</p><p>　　2.1.2光伏效應(yīng)8</p><p>　　2.2 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.3 PIN光電二極管的主要特性…………………………

16、……………………………………10</p><p>　　2.3.1 伏安特性2.3 PIN光電二極管的主要特性…………………………………………10</p><p>　　2.3.2量子效率η11</p><p>　　2.3.3響應(yīng)度R011</p><p>　　2.3.4響應(yīng)速度11</p><p>　　3 PIN光

17、電檢測(cè)電路12</p><p>　　3.1基本電路分析12</p><p>　　3.2噪聲分析13</p><p>　　3.2.1散粒噪聲14</p><p>　　3.2.2熱噪聲14</p><p>　　3.3減小噪聲的改進(jìn)電路16</p><p>　　3.4設(shè)計(jì)PIN光電檢測(cè)電路

18、的一般原則17</p><p><b>　　4設(shè)計(jì)與仿真18</b></p><p>　　4.1設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路18</p><p>　　4.2集成運(yùn)放CA314019</p><p>　　4.3 電路的仿真20</p><p>　　4.3.1 仿真軟件介紹20</p>&

19、lt;p>　　4.3.2仿真實(shí)驗(yàn)20</p><p>　　5驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1 整流電路的設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1.1半波整流電路24</p><p>　　5.1.2全波整流電路26</p><p>　　5.1.3橋式整流電路27</p><

20、p>　　5.2電容濾波電路29</p><p>　　5.2.1濾波的基本概念29</p><p>　　5.2.2電容濾波電路 30</p><p>　　5.2.3濾波原理30</p><p>　　5.2.4電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算31</p><p>　　6 硬件制作與調(diào)試32</p>&

21、lt;p>　　6.1硬件制作32</p><p>　　6.2硬件調(diào)試32</p><p><b>　　7 結(jié)束語(yǔ)35</b></p><p>　　7.1 本論文工作總結(jié)35</p><p>　　7.2 有待完善之處35</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37<

22、/b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是本科生教育改革中的前期探索。在本科生教育開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)中，有許多的實(shí)驗(yàn)是根據(jù)本科生自身的要求和特點(diǎn)展開(kāi)的。本設(shè)計(jì)做的是探測(cè)光信號(hào)的波形情況，它主要用于在其他實(shí)驗(yàn)中，將某信號(hào)如電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率或失真程度的判定上。本設(shè)計(jì)的要求雖然簡(jiǎn)單，但意義是十分巨大的。</p>

23、<p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)十分明確：學(xué)習(xí)multisim軟件，并了解其在電子設(shè)計(jì)中的使用，掌握基本操作規(guī)程。設(shè)計(jì)光電接收前置單元并且在multisim 中進(jìn)行模擬仿真。最終制作硬件系統(tǒng)，調(diào)試及改進(jìn)。</p><p>　　在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中，鍛煉了學(xué)生解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路，又掌握了一門(mén)很好的電子線(xiàn)路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。在硬件制作中，鍛煉了自身的動(dòng)手能力和實(shí)際解決電子線(xiàn)路板常見(jiàn)問(wèn)題的能力，這為實(shí)

24、際工作奠定了基礎(chǔ)。</p><p><b>　　1.1光電傳感器</b></p><p>　　1.1.1光電傳感器的原理</p><p>　　光電傳感器又叫光傳感器，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光（0.38~0.76um）附近，包括紅外線(xiàn)光（0.76~1000um）和紫外線(xiàn)光（0.005~0.4um）。其工作原理是基于一些

25、物質(zhì)的光電效應(yīng)。光敏二極管是最常見(jiàn)的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線(xiàn)射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí) ，它與普通二極管一樣，反向電流很小（＜µA），稱(chēng)為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱(chēng)為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的

26、反向電流，該反向電流稱(chēng)為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。  </p><p>　　1.1.2光電傳感器的分類(lèi)</p><p>　　常見(jiàn)的光電傳感器有光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光電偶合器、顏色傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、光纖傳感器和CCD圖象傳感器。</p><p>　　我們按光電效應(yīng)把

27、傳感器分為3類(lèi)：（1）在光線(xiàn)作用下能使電子逸出物體表面的外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等；（2）在光線(xiàn)作用下能使物體的電阻率改變的內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等；（3）在光線(xiàn)作用下物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)，如光電池等。在本次設(shè)計(jì)中，光信號(hào)接收頭接收的是微弱快速的光信號(hào)，在靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率特性等方面的要求很高，故采用光生伏特型。常用的光生伏特型有Si光電二極管、PIN光電二極管和APD光電二極管。由于Si光電

28、二管的光—電轉(zhuǎn)換速度較慢、探測(cè)調(diào)極制頻率較低（光脈沖頻率太高時(shí)，出現(xiàn)漏掉光脈沖的現(xiàn)象）等缺點(diǎn)；APD光電二極管響應(yīng)時(shí)間極短，即上千兆的響應(yīng)頻率，主要用于紅外激光探測(cè)。故我們選用PIN光電二極管。它是</p><p>　　在P—n結(jié)之間加一本征層(I層)。只要適當(dāng)控制本征層厚度，使它近似等于反偏壓下耗盡層的寬度，就可使響應(yīng)波長(zhǎng)范圍和頻率響應(yīng)得到改善，且本征層對(duì)提高器件靈敏度和頻率響應(yīng)起著十分重要的作用。由于本征層的

29、存在，使載流子渡越時(shí)間非常短，響應(yīng)速度很快，可以檢測(cè)調(diào)制頻率較高(109Hz級(jí))的光信號(hào)。</p><p>　　1.1.3光電傳感器的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　光電式傳感器可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)量、氣體成分分析等；也可以用于檢測(cè)能轉(zhuǎn)化成光量變化的其它非電量，如直徑、表面粗糙度、應(yīng)變位移、振動(dòng)、速度、加速度以及物體形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電傳感

30、器，由于反應(yīng)快、精度好、無(wú)接觸測(cè)量，因此在軍事、工業(yè)控制和民用電器中的應(yīng)用十分廣泛。在軍事上主要包括：水下探測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、核輻射檢測(cè)等；在工業(yè)控制上，能檢測(cè)零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度、以及物體形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等；在民事上，其應(yīng)用更是不勝枚舉，如打印機(jī)、傳真機(jī)、色度計(jì)、醫(yī)療診斷儀器等。美國(guó)是最早將光電傳感器用于民用領(lǐng)域的國(guó)家。20世紀(jì)90年代，日本由東芝、日本電氣等15家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開(kāi)發(fā)出多種具有一流

31、水平的民用光電傳感器。西歐各國(guó)的大型企業(yè)和公司也積極參與光電傳感器的研發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)對(duì)光電傳感器研發(fā)的起步時(shí)間與國(guó)際相差不遠(yuǎn)。目前，已有上百個(gè)單位在光電溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了上百項(xiàng)科研成果，有的達(dá)到了世界先進(jìn)水平。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的研究水平還有不小的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)</p><p><b>　　1.2光探測(cè)器</b>&l

32、t;/p><p>　　光探測(cè)器是由光傳感器和信號(hào)處理器組成的光信號(hào)探測(cè)器件。光探測(cè)器的波長(zhǎng)要求與光源的波長(zhǎng)匹配，并能可靠的用于光纖傳輸系統(tǒng)。目前常用的有兩種半導(dǎo)體光探測(cè)器，即具有本征層的光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。</p><p>　　半導(dǎo)體光探測(cè)器都是利用光電效應(yīng)的原理制成的。所謂光電效應(yīng)是指一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶

33、中有了電子，價(jià)帶中有了空穴，從而使PN結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。</p><p>　　為提高光探測(cè)器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換率，在PN結(jié)中P型材料和N型材料之間增加一層輕摻雜的N型材料（即I層，也稱(chēng)為本征半導(dǎo)體層），就構(gòu)成了PIN管。APD管是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生光電流的倍增作用（即內(nèi)部電流放大作用）的光電二極管。所謂雪崩倍增效應(yīng)是指PN結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡層內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，在耗盡層吸收

34、光子時(shí)，光源發(fā)出的光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，以極高的速度與耗盡層的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成連鎖反應(yīng)，從而使光電流在光電二極管內(nèi)部獲得倍增。</p><p>　　衡量光探測(cè)器光/電轉(zhuǎn)換效率的特征參數(shù)有量子效率和響應(yīng)度。量子效率η定義為轉(zhuǎn)換形成光電流的電子-空穴對(duì)數(shù)同入射光子數(shù)之比，即：</p><p><b>　　式（1.1）</b></p>

35、<p>　　式中，η—量子效應(yīng); n1—入射光子數(shù)； n2—光生載流子數(shù)；</p><p>　　IP—光生電流（A）；P—入射光功率（W）；h f—光子能量（J）；</p><p>　　h—普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34j/Hz;</p><p>　　f—入射光頻率（Hz）；e—電子電荷，e=1.6×10-19C。</

36、p><p>　　響應(yīng)度表示單位入射光功率所產(chǎn)生的光電源，即光探測(cè)器的平均輸出電流與入射光功率之比，具體表示為：</p><p><b>　　式（1.2）</b></p><p>　　式中，R—光探測(cè)器的響應(yīng)度（A/W）；IP—光生電流（A）；</p><p>　　P—入射光功率（W）；hf—光子能量（J）；η—量子效率；&l

37、t;/p><p>　　e—電子電荷，e=1.6×10-19C；λ—入射光波長(zhǎng)（um）。</p><p>　　光探測(cè)器的響應(yīng)度是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)。入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，材料對(duì)光的吸收系數(shù)變得很大，光探測(cè)器的光/電轉(zhuǎn)換效率會(huì)大大降低。另一方面，入射光波長(zhǎng)必須小于半導(dǎo)體光探測(cè)器材料的禁帶能級(jí)所要求的截止波長(zhǎng)，以保證入射光滿(mǎn)足發(fā)生光電效應(yīng)的條件。 </p><p>　　不

38、同材料的典型響應(yīng)度特性</p><p><b>　　表1.1</b></p><p>　　PIN管和APD管的性能比較</p><p><b>　　表1.2 </b></p><p>　　所以選用PIN光電二極管</p><p><b>　　1.3主要工作<

39、/b></p><p>　　學(xué)習(xí)multisim軟件，掌握基本操作規(guī)程；</p><p>　　設(shè)計(jì)光電接收前置單元并仿真運(yùn)行；</p><p>　　制作硬件系統(tǒng)，調(diào)試及改進(jìn)。</p><p><b>　　1.4實(shí)現(xiàn)途徑</b></p><p>　　1、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：在研制光信號(hào)接收頭前，首先要對(duì)

40、本課題現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，了解現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，查詢(xún)并翻譯相關(guān)技術(shù)資料，學(xué)習(xí)multisim軟件，掌握基本操作規(guī)程。再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零件選擇和方案分析論證，對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜程度、完成的功能、系統(tǒng)的成本、布線(xiàn)的合理性、工作的速度、失真情況等進(jìn)行權(quán)衡，選擇合理的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　2、設(shè)計(jì)輸入：打開(kāi)multisim軟件，在元件庫(kù)里尋找合適的元件放置到主窗口上，連線(xiàn)創(chuàng)建仿真電路原理圖。</p>&l

41、t;p>　　3、設(shè)計(jì)處理：在完成電路原理圖后，設(shè)置電路圖選項(xiàng)，選擇使用仿真儀器，設(shè)定仿真分析方法 ，啟動(dòng)multisim2001仿真。</p><p>　　4、設(shè)計(jì)校驗(yàn)：在仿真分析結(jié)果窗口上查看仿真圖，是否符合預(yù)測(cè)值，如果不符合，那需要檢查電路零件和連線(xiàn)情況，或修改邏輯設(shè)計(jì)方案，直到得到正確的結(jié)果。</p><p>　　5、實(shí)物制作：按照設(shè)計(jì)的原理圖，在印刷電路板上制作硬件系統(tǒng)，并與

42、示波器連接，調(diào)試接收頭，查看其接收效果。如果需要，做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。制作系統(tǒng)外殼及接口。</p><p>　　2 PIN光電二極管</p><p><b>　　2.1光電效應(yīng)</b></p><p>　　簡(jiǎn)單的說(shuō)，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，

43、發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限頻率和極限波長(zhǎng)。臨界值取決于金屬材料,而發(fā)射電子的能量取決于光的波長(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱(chēng)外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。</p><p>　　光電效應(yīng)有四個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律：a．陰極 (發(fā)射光電子的金屬材料)發(fā)射的光電子數(shù)和照射發(fā)光強(qiáng)度成正比。 b．光電子脫

44、出物體時(shí)的初速度和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這就是說(shuō)，光電子的初動(dòng)能只和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 c．僅當(dāng)照射物體的光頻率不小于某個(gè)確定值時(shí)，物體才能發(fā)出光電子，這個(gè)頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應(yīng)的波長(zhǎng)λ。叫做紅限波長(zhǎng)。不同物質(zhì)的極限頻率和相應(yīng)的紅限波長(zhǎng)λ。是不同的。d．從實(shí)驗(yàn)知道，產(chǎn)生光電流的過(guò)程非?？?，一般不超過(guò)lO-9秒；停止用光照射，光電流也就立即停止。這表明，光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。</p>

45、<p>　　半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)取決于半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)光束投射到半導(dǎo)體表面時(shí)，進(jìn)入體內(nèi)的光子如果直接與電子作用（吸收、動(dòng)量傳遞等），引起電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，則半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)隨之發(fā)生改變，這類(lèi)現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。</p><p>　　光電效應(yīng)有許多種，按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。</p>

46、;<p>　　在光電效應(yīng)中，光子直接與物質(zhì)中的電子相互作用。物質(zhì)吸收光子后，將引起物質(zhì)內(nèi)部電子能態(tài)的改變。這種改變與光子的能量大小有關(guān)，所以光電效應(yīng)是一種波長(zhǎng)選擇性物理效應(yīng)。</p><p>　　2.1.1光電導(dǎo)效應(yīng)</p><p>　　半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與其中的自由載流子濃度有關(guān)，某一溫度下，由于熱激發(fā)電子從不斷振動(dòng)的晶格中獲得能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自由載流子。同時(shí)

47、由于復(fù)合作用自由載流子不斷減少。在一定溫度下，上述兩個(gè)過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)半導(dǎo)體中的自由載流子成為“熱平衡載流子”。如果半導(dǎo)體受到光照，則入射光子將激發(fā)出新的載流子，該半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大。半導(dǎo)體材料吸收光輻射而產(chǎn)生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料對(duì)光輻射吸收類(lèi)型不同，光電導(dǎo)效應(yīng)又分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)和非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。</p><p>　　對(duì)本征半導(dǎo)體，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，由于熱激

48、發(fā)只有少數(shù)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。這時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很低，并定義為：</p><p><b>　　式（2.1）</b></p><p>　　n0和p0分別為無(wú)光照射時(shí)電子和空穴濃度，un和up分別為電子和空穴的遷移率，σ稱(chēng)為半導(dǎo)體材料的暗電導(dǎo)。</p><p>　　當(dāng)光入射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子后從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子—

49、空穴對(duì)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)實(shí)際上是非平衡多數(shù)載流子過(guò)程。</p><p>　　使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，入射光子能量至少要和本征半導(dǎo)體的禁帶寬度一樣大，因此要求：</p><p><b>　　式（2.2）</b></p><p><b>　　或?qū)憺椋?lt;/b></p>

50、<p><b>　　式（2.3）</b></p><p>　　式中，v是入射光頻率，λ是光波長(zhǎng)，c是光速，h是普朗克常量。</p><p>　　本征半導(dǎo)體的截止波長(zhǎng)為：λ0=1.24/Eg (ev),波長(zhǎng)大于λ0的光輻射不能產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。</p><p>　　上式表明，本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg越小，則λ0越大。選擇Eg不同的半導(dǎo)體

51、材料可制成截止波長(zhǎng)不同的光電導(dǎo)探測(cè)器。</p><p>　　入射光激發(fā)非本征半導(dǎo)體中雜質(zhì)能級(jí)上的束縛態(tài)電子或空穴而產(chǎn)生的光生載流子，從而使電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。非本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，所以非本征光電導(dǎo)的λ0遠(yuǎn)大于本征光電導(dǎo)的波長(zhǎng)λ0</p><p><b>　　2.1.2光伏效應(yīng)</b></p>&l

52、t;p>　　由半導(dǎo)體理論可知，在半導(dǎo)體p-n結(jié)的n區(qū)導(dǎo)帶中有較多的電子，在P區(qū)價(jià)帶中有較多的空穴。p-n結(jié)中由于存在載流子濃度梯度，便發(fā)生電子向P區(qū)、空穴向n區(qū)的擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果使p區(qū)帶負(fù)電，n區(qū)帶正電，中間形成耗盡區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生由耗盡區(qū)引起的內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)將阻止電子繼續(xù)向P區(qū)擴(kuò)散，阻止空穴繼續(xù)向n區(qū)擴(kuò)散，這時(shí)p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)。</p><p>　　在入射光作用下，如果光子能量大于禁帶寬度Eg，則在P

53、區(qū)、結(jié)區(qū)和n區(qū)都會(huì)引起本征激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，破壞原來(lái)的平衡狀態(tài)。結(jié)區(qū)中的光生載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴穿過(guò)p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)，n區(qū)的電子進(jìn)入P區(qū)。若p-n結(jié)處于開(kāi)路狀態(tài)，這些光生載流子就積累在p-n結(jié)附近，使P區(qū)獲得附加的負(fù)電荷.n區(qū)獲得附加的正電荷。結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)降低，n區(qū)電勢(shì)升高。于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的載流子各自向相反的方向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果在p-n結(jié)內(nèi)部形成自

54、n區(qū)向P區(qū)的光生電流Ip，它與漂移電流方向相同，與擴(kuò)散電流方向相反。</p><p>　　圖2.1 結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　與光電導(dǎo)效應(yīng)相反，光伏效應(yīng)是一種少數(shù)載流子過(guò)程。少數(shù)載流子的壽命通常短于多數(shù)載流子的壽命，當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合掉時(shí)，光伏信號(hào)就終止了。由于這個(gè)原因，基于光伏效應(yīng)的光探測(cè)器通常比相同材料制作的光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)更快。</p><p>　　圖2

55、.2 能帶示意圖 </p><p>　　2.2 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)</p><p>　　PIN光電二極管開(kāi)始加工的硅片是一塊接近本征的單晶，稱(chēng)為I層，它有很高的電阻率和很長(zhǎng)的載流子壽命。但完全沒(méi)有雜質(zhì)的本征層是很難實(shí)現(xiàn)的， P區(qū)和N區(qū)分別利用擴(kuò)散或離子注入加工到硅片表面，形成陽(yáng)極和陰極。這兩個(gè)極既可以做在硅片兩面，也可以做在同一面的不同區(qū)域

56、。由于光敏二極管并非用于射頻狀態(tài)下，所以對(duì)特征頻率和傳輸時(shí)間無(wú)特殊要求，通常我們采用兩個(gè)極做在硅片同一面的方式，這樣的好處還可以增大光感應(yīng)的面積，提高感應(yīng)靈敏度。</p><p>　　圖2.3 PIN結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為了改善響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，顯然，適當(dāng)?shù)募哟蠛谋M層寬度是有利的，為此在制造時(shí)，在P型材料和N型材料之間加一層輕摻雜的N型材料，稱(chēng)為I( Intrinsic,本征的)

57、層，由于是輕摻雜，故電子的濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散作用后可形成一個(gè)很寬的耗盡層。另外，為了降低p-n結(jié)兩端的接觸電阻，以便與外電路連接，將兩端的材料做成重?fù)诫s的P+層和N十層，此即PIN光電二極管。PIN管在低頻狀態(tài)下的I-V特性類(lèi)似于PN結(jié)的I-V特性。其兩端加反向偏壓，電源電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)同向，合成結(jié)電場(chǎng)使耗盡區(qū)在整個(gè)I區(qū)擴(kuò)展。當(dāng)能量大于材料禁帶寬度的光子射入時(shí)，生成光生載流子，進(jìn)入耗盡區(qū)，并向兩端漂移，形成光生電流。這樣由于本征區(qū)的引入而使

58、得耗盡區(qū)長(zhǎng)度增加，光生載流子進(jìn)入耗盡區(qū)的幾率增大，且光生載流子獲得比擴(kuò)散速度高得多的漂移速度，使量子效率和響應(yīng)速度都得到很大提高。</p><p>　　圖2.4 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)和能帶示意圖</p><p>　　當(dāng)P1N管兩端加上正向的偏壓后，PI結(jié)和NI結(jié)的勢(shì)壘降低，P區(qū)空穴和N區(qū)電子不斷注入到I區(qū)，不斷復(fù)合，注入的電子和空穴使I區(qū)電導(dǎo)增加，呈現(xiàn)出低阻抗。</p>&l

59、t;p>　　2.3 PIN光電二極管的主要特性</p><p><b>　　2.3.1伏安特性</b></p><p>　　PIN光電二極管是反偏壓工作，其伏安特性可表現(xiàn)為：</p><p><b>　　式（2.4）</b></p><p>　　式中，I是流過(guò)二極管的總電流;I0為反向飽和電

60、流; e為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù);T為工作溫度;v為加在二極管兩端的電壓; IP是光電流。其特性曲線(xiàn)如圖：</p><p>　　圖2.5 PIN光電二極管的伏安特性曲線(xiàn)</p><p>　　在工作反便電壓一定的情況下，光電流IP正比與入射光功率P0，其關(guān)系式為：</p><p><b>　　式（2.5）</b></p>&l

61、t;p>　　其中，hf是頻率為f的光子能量;h為普朗克常數(shù);η為量子效率。利用這線(xiàn)性關(guān)系，就可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。</p><p>　　2.3.2量子效率η</p><p>　　量子效率η是光電二極管靈敏度的一個(gè)量度。它是指在光電二極管中產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)數(shù)與入射的光子數(shù)之比:</p><p><b>　　式（2.6）</b&

62、gt;</p><p>　　國(guó)產(chǎn)光電二極管的量子效率一般在30~95%之間。</p><p>　　2.3.3響應(yīng)度R0</p><p>　　響應(yīng)度是表征光電二極管靈敏度的另一個(gè)物理量，它的定義是指光電檢測(cè)器的平均輸出電流IP與其平均入射光功率P0的比值:</p><p>　　（A/W） 式（2.7）</p&

63、gt;<p>　　可見(jiàn)，檢測(cè)器的量子效率高，其響應(yīng)便越高，即光電轉(zhuǎn)換效率越高。國(guó)電光電管的響應(yīng)或靈敏度一般在0.3~0.5 A/ W范圍內(nèi)。</p><p><b>　　2.3.4響應(yīng)速度</b></p><p>　　光電二極管的響應(yīng)速度取決于它們的響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是指它的光電響應(yīng)時(shí)間，即從它接收到光子時(shí)起到它能夠有光生電流輸出的這段時(shí)間。光電二極管的

64、響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短反映了光電轉(zhuǎn)換速度的快慢。目前，國(guó)產(chǎn)光電檢測(cè)器件的響應(yīng)時(shí)間分別為:PIN<l ns; APD<1~5ns。</p><p>　　3、 PIN光電檢測(cè)接收電路</p><p><b>　　3.1基本電路分析</b></p><p>　　用光電二極管PIN組成的光電檢測(cè)電路，實(shí)際上是一個(gè)光—電流—電壓變換器。PIN管是光電

65、二極管中的一種，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著較厚的本征半導(dǎo)體，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。這種光電二極管的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10 GHz。所不足的是，管子的輸出電流小，一般只有數(shù)微安。PIN管將接收的光信號(hào)變成與之成比例的微弱電流信號(hào)，通過(guò)運(yùn)放和與PIN串聯(lián)的電阻組成的放大器變換成電壓信號(hào)。</p><p>　　圖3.1 Pin組成基本放大電路</p><

66、p>　　PIN管相當(dāng)于一個(gè)電流源，當(dāng)它的負(fù)載阻抗為零時(shí)，,它的輸出特性最好。而理想的運(yùn)放正、負(fù)輸入端正好有“虛短”(即兩輸入端之間電壓差為零)的特性，這正是選用運(yùn)放來(lái)檢測(cè)PIN管電流的原因。設(shè)運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益為A,則此電路中PIN的負(fù)載電阻為R1/ A，因運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益A通常很大，即使選用較大的反饋電阻R1 , R1/ A與PIN管的輸出電阻相比也是可以忽略的。理想的運(yùn)放輸入端還具有“虛斷”( 即輸入端不取用電流)的特性，PIN管產(chǎn)生

67、的電流流過(guò)反饋電阻R1，使得運(yùn)放的輸出電壓E0 = IP Ri ，從而實(shí)現(xiàn)了光—電流—電壓的線(xiàn)性變換。</p><p>　　圖3.2 光電二極管等效電路圖</p><p>　　Rs為光電二極管的串聯(lián)電阻，一般很小可以忽略;Rp 為光電二極管的跨接電阻，其阻值很大，它的影響也可以忽略;RL為負(fù)載電阻。因此結(jié)電容對(duì)光電二極管響應(yīng)速度的影響主要由Cd和負(fù)載電阻RL決定。從等效電路可以看出，結(jié)電容

68、Cd起著旁路作用，因而在高頻時(shí)使輸出電流減小，結(jié)電容限制的截止頻率(即為帶寬)為Fc=1/(2πRLCd)。顯然，快速的響應(yīng)(高截止頻率)要求降低時(shí)間常數(shù)RL, Cd，因此要求盡可能地降低結(jié)電容Cd。降低Cd有兩種方法:一是增加耗盡層寬度W,二是減小結(jié)面積A。實(shí)際上增加耗盡層寬度w會(huì)降低響應(yīng)速度，這是一對(duì)矛盾，因此對(duì)耗盡層寬度應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前實(shí)用化的PIN光電二極管的結(jié)電容一般都能做到小于1 pF，結(jié)電容越小，其截止頻率就越寬，高頻

69、特性就越好。</p><p>　　圖3.3 反偏態(tài)伏安特性</p><p>　　實(shí)際上PIN光電二極管的帶寬除了受Cd的影響外，還受器件封裝電容CP的影響，同樣的PIN光電二極管管芯由于各生產(chǎn)廠家封裝工藝水平的差異，帶寬也有較大不同，這主要是封裝電容太大，導(dǎo)致帶寬變窄。因而在選用PIN光電二極管時(shí)，應(yīng)選用有實(shí)力的廠家的產(chǎn)品。</p><p><b>　　3

70、.2噪聲分析</b></p><p>　　光探測(cè)器一般在很弱的光信號(hào)條件下工作，其在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中所引入的噪聲大小，對(duì)提高光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)起著十分重要的作用，可以想象，如果光探測(cè)器所引入的噪聲電流過(guò)大，以至使這些噪聲電流與通過(guò)光電轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)電流不相上下，則光接收機(jī)就無(wú)法輸出有用的RF信號(hào)，從光探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比(即信噪比)來(lái)分析，要求光檢測(cè)器輸出的噪聲越小越好，而信噪

71、比則越大越好。光探測(cè)器的噪聲包括散粒噪聲和熱噪聲。</p><p><b>　　3.2.1散粒噪聲</b></p><p>　　PIN光探測(cè)器的散粒噪聲是量子噪聲，當(dāng)光子照射光檢測(cè)器時(shí)，電子空穴對(duì)的隨機(jī)產(chǎn)生導(dǎo)致了散粒噪聲，這個(gè)過(guò)程是隨機(jī)過(guò)程，服從泊松統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即:A、個(gè)別光子到達(dá)并激發(fā)出原始電子空穴對(duì)的時(shí)刻是隨機(jī)的;B、一定的光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)每秒鐘內(nèi)到達(dá)的光子數(shù)的平均值，每

72、秒鐘內(nèi)實(shí)際到達(dá)的光子數(shù)圍繞平均值起伏，并服從泊松概率分布。實(shí)際上，光電轉(zhuǎn)換散粒噪聲的本質(zhì)來(lái)源于光子激發(fā)出電子的離散性、量子性和隨機(jī)性，這種噪聲隨光電信號(hào)與生俱來(lái)，是無(wú)法回避的。</p><p><b>　　3.2.2熱噪聲</b></p><p>　　由于溫度的存在，使電子在任何導(dǎo)體中都隨機(jī)地移動(dòng)。即使沒(méi)有加電壓，在電流中都會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的波動(dòng)。任何電阻都具有熱噪聲，只要

73、溫度高于絕對(duì)零度，電阻中大量的電子就會(huì)在熱激勵(lì)下作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，由此在電阻上形成無(wú)規(guī)則的弱電流，造成電阻的熱噪聲。溫度越高，光探測(cè)器的工作帶寬越大，則光探測(cè)器的負(fù)載電阻熱噪聲就越大。</p><p>　　圖3.4 電流放大器噪聲源</p><p>　　PIN管的等效電路如圖虛線(xiàn)框中所示，CD為光電二極管的結(jié)電容，RD為光電二極管的等效電阻。圖（PIN組成基本放大電路）所示電流放大器的噪聲源

74、可用上圖表示。圖中用IP表示運(yùn)放的輸入噪聲電流，當(dāng)選用偏置電流為pA級(jí)的超低偏置電流運(yùn)放時(shí)，此噪聲分量對(duì)一般實(shí)用的反饋電阻可以忽略不計(jì)。用e0表示運(yùn)放的輸入噪聲電壓，CS為消除振蕩反饋電容。忽略IP的影響，則可推導(dǎo)出運(yùn)放的輸出電壓為</p><p><b>　　式（3.1）</b></p><p>　　根據(jù)此輸出表達(dá)式可畫(huà)出電流放大器的有信號(hào)增益與噪聲增益的幅頻特性，

75、如下圖所示。</p><p>　　圖3.5 電流放大器的幅頻特性</p><p>　　由圖中可知，信號(hào)電流IP在直流和較低頻率時(shí)變換系數(shù)為R1，隨著頻率的增加，CS的作用開(kāi)始表現(xiàn)出來(lái)，信號(hào)電流的放大倍數(shù)開(kāi)始下降，轉(zhuǎn)折頻率為1/2πR1Cs而噪聲電壓與信號(hào)電流的幅頻特性完全不同，在直流段和較低頻率時(shí)噪聲電壓的放大倍數(shù)為1 + R1 /RD，隨著頻率的增加(轉(zhuǎn)折頻率為1/2πR1Cs)，噪聲

76、增益曲線(xiàn)首先由于CD的作用開(kāi)始升高，直至由于電容Cs的作用而停止;在高頻段，噪聲增益被限定在1 + CD/Cs。由此可見(jiàn)，RD越大，CD越小，噪聲的影響越小，而加入CS可限制高頻段的噪聲增益。</p><p>　　除了運(yùn)放帶入噪聲外，反饋電阻R1的熱噪聲也是一個(gè)重要的噪聲源。在純電阻情況下，電阻的熱噪聲Ur輸出取決于檢測(cè)電路的實(shí)際通頻帶△f</p><p><b>　　式（3.2

77、）</b></p><p>　　式中，k為波爾茲曼常數(shù)1.38×10 -23J/K, T為絕對(duì)溫度，△f為噪聲頻帶，可見(jiàn)Ur與成正比。通常在R1兩端并聯(lián)電容C以減小噪聲頻帶來(lái)減小電阻的熱噪聲。此時(shí)并聯(lián)RC電路對(duì)噪聲的影響，相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬，△fc = 1/4R1C 。此時(shí)RC電路的熱噪聲</p><p>　　3.3減小噪聲的改進(jìn)電

78、路</p><p>　　圖3.6 復(fù)合放大器</p><p>　　圖中電路用兩個(gè)運(yùn)放組成一個(gè)復(fù)合放大器，該復(fù)合放大器具有降低噪聲帶寬，但不影響信號(hào)頻帶的特點(diǎn)。要注意A1的正、負(fù)輸入端的連接與單運(yùn)放的連接不同，正好顛倒，這是因?yàn)閺?fù)合放大器的輸入極性由A1 、A2共同決定。圖中的內(nèi)部反饋R3, R4, C1可控制A2所增加的增益響應(yīng)特性。在直流情況下，該反饋由C1斷開(kāi)，此時(shí)放大器的開(kāi)環(huán)增益是兩

79、個(gè)放大器開(kāi)環(huán)增益的乘積。此增益曲線(xiàn)因放大器的開(kāi)環(huán)增益極點(diǎn)和R3, C1組成的積分器響應(yīng)極點(diǎn)而兩次下降，如下圖所示。當(dāng)頻率繼續(xù)增加時(shí)(f 》1/2πR4 C1)，由A2組成的運(yùn)放的增益為R4/R3《 1，復(fù)合放大器總的開(kāi)環(huán)增益A1 R4/R3《 A1，使復(fù)合放大器的頻帶變窄，從而使噪聲的頻帶變小，消除的噪聲增益為圖中的陰影區(qū)，而信號(hào)頻帶基本不受影響。</p><p>　　圖3.7 復(fù)合放大器限制噪聲頻帶<

80、/p><p>　　3.4設(shè)計(jì)PIN光電檢測(cè)電路的一般原則</p><p>　　1、光電二極管的結(jié)電容C0、并聯(lián)電阻R0應(yīng)盡量大，C0不僅影響噪聲帶寬，而日影響噪聲的大小。而由式(3.1)可知，R0使得噪聲和偏移電壓放大了1+R1/R0</p><p>　　2、反饋電阻R1在滿(mǎn)足頻帶寬度的情況下應(yīng)盡量大，因電阻熱噪聲，而有用信號(hào)的輸出為E0 = IP R1，由此可見(jiàn)電阻R

81、1帶入的信噪比是正比于的函數(shù)，R1越大，信噪比越高。</p><p>　　3、應(yīng)減小I0，即應(yīng)選用超低偏置電流的運(yùn)放，以提高檢測(cè)的靈敏度和精度。當(dāng)反饋電阻較大時(shí)，偏流會(huì)在反饋電阻上產(chǎn)生偏移電壓，給檢測(cè)帶入誤差。</p><p>　　4、P IN為零偏操作時(shí)，暗電流很小，可提高有用信號(hào)的精度;而反偏操作時(shí)則會(huì)引入暗電流和電流噪聲。但零偏時(shí)，C0比反偏操作大幾十倍，這又會(huì)放大噪聲電壓，故要根據(jù)

82、具體應(yīng)用區(qū)別對(duì)待。</p><p>　　5、為降低噪聲大小和消除振蕩，常在反饋電阻上并聯(lián)小電容CS ,達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)壓的目的。</p><p><b>　　4、設(shè)計(jì)與仿真</b></p><p>　　4.1設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路</p><p>　　在前面的基本電路分析中，我們已經(jīng)知道了設(shè)計(jì)的思路。在這個(gè)光—電流—電壓的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，

83、由于噪聲電流是遠(yuǎn)小于信號(hào)電流的，所以我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候是忽略了噪聲的影響的，即我們不考慮它。所以本設(shè)計(jì)的最后設(shè)計(jì)的電路圖是十分簡(jiǎn)單的。Si型PIN光電二極管可以實(shí)現(xiàn)光—電流的轉(zhuǎn)換，而電流—電壓的轉(zhuǎn)換，我們可以通過(guò)電流—電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路如圖：</p><p>　　圖4.1電流電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　如圖所示為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。在理想運(yùn)放條件下，輸入電阻

84、Ri=0，因而iF=iS，故輸出電壓</p><p><b>　　式（4.1）</b></p><p>　　Rs比Ri大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。</p><p>　　而在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)的放大是這樣考慮的：本來(lái)信號(hào)源的信號(hào)是相當(dāng)小的，即一般需要放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大。但是在本設(shè)計(jì)中，盡管信號(hào)is很小,但是通過(guò)式（4.1）可以看出，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)反

85、饋電阻Rf的大小,使輸出的電壓u0在某個(gè)正常的可測(cè)范圍。另外，我們還可以通過(guò)調(diào)節(jié)示波器的的電壓倍數(shù)來(lái)達(dá)到我們的目的。</p><p>　　所以設(shè)計(jì)的電路如圖所示：</p><p>　　圖4.2設(shè)計(jì)的電路圖</p><p>　　4.2集成運(yùn)放CA3140</p><p>　　CA3140是一種BIMOS工藝制成的精密運(yùn)算放大器，輸入失調(diào)電流為0

86、.5pA，輸入偏置電流為10pA，而輸入阻抗高達(dá)1012歐姆，CA3140的引腳圖如下 </p><p>　　圖4.3 CA3140引腳圖</p><p><b>　　4.3 電路的仿真</b></p><p>　　4.3.1 仿真軟件介紹</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，我用的是multisim 8版本的電子線(xiàn)路仿真軟

87、件。Multisim軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司(圖像交互技術(shù)公司，簡(jiǎn)稱(chēng)IIT公司)在1998年推出EW B5.0(Electronics Workbench也稱(chēng)為“虛擬電子實(shí)驗(yàn)室”)的基礎(chǔ)上推出的一款更高版本的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件。其仿真功能十分強(qiáng)大，可以非常接近地仿真出實(shí)際電路的結(jié)果。它可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路和混合電路進(jìn)行仿真，并且提供十多種虛擬儀器(如示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、

88、功率表等)，以及18種仿真分析功能(如直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、直流掃描分析等)。并且支持VHDL Verilog設(shè)計(jì)輸入和仿真。同時(shí)提供了多種仿真信息輸出方式，將電路原理圖轉(zhuǎn)入電路板設(shè)計(jì)軟件，如Protel, OrCAD；而且支持遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)。由于元件庫(kù)中有若干個(gè)與實(shí)際元件相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)性仿真元件模型，配合強(qiáng)大的仿真分析，使結(jié)果更精確、更可靠。在Multisim軟件的器件庫(kù)中則包含了許多國(guó)

89、內(nèi)外大公司的元器件。與我們傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比，依</p><p>　　4.3.2零偏仿真實(shí)驗(yàn)</p><p>　　在前面，我已經(jīng)提出了設(shè)計(jì)的電路圖，但是在M ultisim軟件中，是沒(méi)有PIN光電二極管的，所以我們需要用某種方式代替PIN光電二極管來(lái)進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，在前面我也已經(jīng)提出了PIN光電二極管的等效電路</p><p>　　圖4.4 光電二極管

90、等效電路</p><p>　　其中，RL是負(fù)載電阻，Cd是結(jié)電容，Rs為光電二極管的串聯(lián)電阻，一般很小可以忽略;Rp 為光電二極管的跨接電阻，其阻值很大，它的影響也可以忽略; 故在該軟件中用下圖代替PIN光電二極管：</p><p><b>　　圖4.5 等效電路</b></p><p>　　所以，在零偏狀態(tài)下進(jìn)行仿真的電路圖如下：</p

91、><p>　　圖4.6零偏仿真電路</p><p>　　當(dāng)頻率為5Hz時(shí),其輸出為： </p><p>　　圖4.7 f=5Hz仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)頻率為5K Hz時(shí)，其輸出為：</p><p>　　圖 4.8 f=5kHz仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)頻率為50 kHz時(shí)，其輸出為

92、：</p><p>　　圖4.9 f=50kHz仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)頻率為500kHz時(shí),其仿真結(jié)果：</p><p>　　圖4.10 f=500kHz仿真結(jié)果</p><p>　　由圖可知，在零偏狀態(tài)下，光電二極管可近似等效為一個(gè)電流源，而不必考慮結(jié)電容和跨接電阻，且隨著頻率的增大，輸出電壓的波形無(wú)失真。</p>

93、<p>　　4.3.3 反偏仿真實(shí)驗(yàn)</p><p>　　在反偏狀態(tài)下進(jìn)行仿真的電路圖如下：</p><p>　　圖4.11 反偏仿真電路</p><p>　　當(dāng)頻率為5Hz時(shí)，其輸出為：</p><p>　　圖4.12 f=5Hz仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)頻率為5kHz時(shí)，其輸出為：</p

94、><p>　　圖4.13 f=5kHz仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)頻率為50kHz時(shí)，其輸出為：</p><p>　　圖4.14 f=50kHz仿真結(jié)果</p><p>　　當(dāng)頻率為500kHz時(shí)，其輸出為：</p><p>　　圖4.15 f=500kHz仿真結(jié)果</p><p>　　由

95、圖可知，在反偏態(tài)下，隨著頻率的增大，輸出的波形不失真。由于有反偏電壓存在，使輸出電壓抬高了Vcc/Rf，但反偏態(tài)和零偏態(tài)的波形基本類(lèi)似，且都和理論分析相符合。但實(shí)際上，與零偏結(jié)構(gòu)電路相比，它的缺點(diǎn)是具有由Vcc產(chǎn)生的暗電流和暗電流產(chǎn)生的探測(cè)器散粒噪聲；優(yōu)點(diǎn)是適合高速應(yīng)用并能大大降低探測(cè)器的極間電容c，極間電容的降低對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路噪聲的降低將有重大的意義。</p><p><b>　　5、驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)&

96、lt;/b></p><p>　　5.1 整流電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　電力網(wǎng)供給用戶(hù)的是交流電，電子電路工作時(shí)都需要直流電源提供能量，電池因使用費(fèi)用高,一般只用于低功耗便攜式的儀器設(shè)備中。所以我們需要把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟Ｕ鳎褪前呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程。利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷梢园逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q為直流電。</p><p>　　本章討

97、論如何把交流電源變換為直流穩(wěn)壓電源。一般直流電源由如下部分組成:</p><p>　　整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電。 </p><p>　　濾波電路將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。</p><p>　　穩(wěn)壓電路采用負(fù)反饋技術(shù)，對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定。</p><p>　　圖5.1交流—直流轉(zhuǎn)換圖&l

98、t;/p><p>　　5.1.1半波整流電路</p><p>　　圖5.2半波整流電路</p><p>　　上圖是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D 和負(fù)載電阻Rfz 組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓E2 ，D 再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。</p><p>　　從下面的波形圖上看看二極管是怎樣整流的

99、</p><p>　　圖5.3半波整流波形</p><p>　　變壓器次級(jí)電壓E2 ，是一個(gè)方向和大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5.3（a）所示。在0～π時(shí)間內(nèi)，E2 為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。此時(shí)二極管承受正向電壓而導(dǎo)通，E2 通過(guò)它加在負(fù)載電阻Rfz上，在π～2π 時(shí)間內(nèi)，E2 為負(fù)半周，變壓器次級(jí)下端為正，上端為負(fù)。這時(shí)D 承受反向電壓，不導(dǎo)通，Rfz上無(wú)電壓。在

100、2π～3π 時(shí)間內(nèi)，重復(fù)0～π 時(shí)間的過(guò)程，而在3π～4π時(shí)間內(nèi)，又重復(fù)π～2π 時(shí)間的過(guò)程…這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被"削"掉了，只有正半周通過(guò)Rfz，在Rfz上獲得了一個(gè)單一、右向（上正下負(fù)）的電壓，如圖5.3（b）所示，達(dá)到了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc ，以及負(fù)載電流的大小還隨時(shí)間而變化，因此，通常稱(chēng)它為脈動(dòng)直流。</p><p>　　這種除去半周、要一半周的整流方法，叫半波

101、整流。不難看出，半波整流是以"犧牲"一半交流為代價(jià)而換取整流效果的，電流利用率很低（計(jì)算表明，整流得出的半波電壓在整個(gè)周期內(nèi)的平均值，即負(fù)載上的直流電壓Usc=0.45E2 ）因此常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般無(wú)線(xiàn)電裝置中很少采用。</p><p>　　5.1.2全波整流電路</p><p>　　如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流

102、電路。圖5.4 是全波整流電路的電路原理圖。</p><p>　　圖5.4全波整流電路</p><p>　　全波整流電路，可以看作是由兩個(gè)半波整流電路組合成的。變壓器次級(jí)線(xiàn)圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次級(jí)線(xiàn)圈分成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓E2a 、E2b ，構(gòu)成E2a 、D1、Rfz與E2b 、D2 、Rfz，兩個(gè)通電回路。</p>

103、<p>　　全波整流電路的工作原理，可用圖5.5所示的波形圖說(shuō)明。在0～π 間內(nèi)，E2a 對(duì)Dl為正向電壓，D1 導(dǎo)通，在Rfz上得到上正下負(fù)的電壓；E2b 對(duì)D2 為反向電壓， D2 不導(dǎo)通（見(jiàn)圖5.5（b））。在π-2π時(shí)間內(nèi)，E2b 對(duì)D2 為正向電壓，D2 導(dǎo)通，在Rfz上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓；E2a 對(duì)D1 為反向電壓，D1 不導(dǎo)通（見(jiàn)圖5.5（C））。</p>&

104、lt;p>　　圖5.5全波整流波形</p><p>　　如此反復(fù)，由于兩個(gè)整流元件D1 、D2 輪流導(dǎo)電，結(jié)果負(fù)載電阻Rfz上在正、負(fù)兩個(gè)半周作用期間，都有同一方向的電流通過(guò)，如圖5.5（d）所示的那樣，因此稱(chēng)為全波整流，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率（Usc ＝0.9E2，比半波整流時(shí)大一倍）。</p><p>　　圖5.4所示的全波整

105、流電路，需要變壓器有一個(gè)使兩端對(duì)稱(chēng)的次級(jí)中心抽頭，這給制作上帶來(lái)很多的麻煩。另外，這種電路中，每只整流二極管承受的最大反向電壓，是變壓器次級(jí)電壓最大值的兩倍，因此需用能承受較高電壓的二極管。</p><p>　　5.1.3橋式整流電路</p><p>　　圖5.6（a ）為橋式整流電路圖，（b）圖為其簡(jiǎn)化畫(huà)法。</p><p>　　圖5.6（a）為橋式整流電路圖

106、 圖5.6（b）圖為其簡(jiǎn)化畫(huà)法</p><p>　　橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。</p><p>　　圖5.7 橋式整流電路工作原理</p><p>　　橋式整流電路的工作原理如下：E2 為正半周時(shí)，對(duì)D1

107、、D3 加正方向電壓，Dl，D3 導(dǎo)通；對(duì)D2 、D4 加反向電壓，D2 、D4 截止。電路中構(gòu)成E2 、Dl、Rfz 、D3 通電回路，在Rfz上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓；E2 為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2 、D4 加正向電壓，D2 、D4 導(dǎo)通；對(duì)D1 、D3 加反向電壓，D1 、D3 截止。電路中構(gòu)成E2 、D2 、Rfz  、D4 通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。</p><p&

108、gt;　　上述工作狀態(tài)分別如圖5.7（a） 、（b）所示。</p><p>　　如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖5.7中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整流電路小一半。</p><p>　　綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性

109、分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。</p><p>　　根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖5.8。由圖可見(jiàn)，通過(guò)負(fù)載Rfz的電流IL以及電壓VL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。</p><p>　　橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變

110、壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　圖5.8橋式整流波形圖</p><p><b>　　5.2電容濾波電路</b></p><p>　　5.2.1濾波的基本概念 </p><p>　　濾波電路利用電抗性元件對(duì)

111、交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。</p><p>　　5.2.2電容濾波電路 </p><p>　　電容濾波電路如圖所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容