一种高信噪比光电探测电路的制作方法

1.本实用新型属于电路领域，具体公开了一种高信噪比光电探测电路。


背景技术：

2.近年来，以光电探测器件为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域，该技术主要通过将照射于光电二极管上的光信号转化为相应的光电流信号，再通过电流
‑
电压信号转换、放大、滤波等后续电路进一步优化，最终实现对原始光信号的检测分析。
3.光电二极管探测器件因其具有响应快、灵敏度高、线性好、噪声低等优点而常被作为光电检测系统中的核心器件 ，但若所测得光信号较微弱时，常需要外接光电放大电路，而由于器件芯片选型及设计电路结构的不同，输出端电信号易受检测电路中阻抗分流及各种噪声叠加影响，常使光电检测电路线性响应度变差或信噪比过低。本文从光二极管光电检测电路线性响应和噪声特性两个方面，对微弱光电检测中电路结构形式和器件芯片选择的相关要求做了详细分析。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题在于，提出一种高信噪比光电探测电路，以解决现有技术的问题。
5.为达到以上目的，本实用新型提供了一种高信噪比光电探测电路，包括光电二极管d，所述光电二极管d通过导线连接运算放大器的反向输入端，所述运算放大器的正向输入端接地，所述运算放大器的反向输入端及输出端之间并联反馈电阻 rf 和反馈电阻 cf 组成反馈补偿网络，所述运算放大器输出端串联电阻r和电阻r，所述电阻r与电阻r连接的一端连接电容c，所述电容c接地，所述电阻r的另一端连接电容c，所述电容c接地。
6.在上述技术方案中，优选的，所述运算放大器连接工作电压，工作电压与地端接100 nf 的电容c。
7.在上述技术方案中，优选的，所述光电二极管d为ingaas光电二极管
8.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本电路以g12181
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020k光电探测器件及opa858低噪声高增益运放芯片为例，设计测试了相关微弱光电检测电路，测试结果表明，设计的电路具有输出噪声低、线性良好、结构简单的优点。测试中输出端等效噪声实际不超过 10 mv，对经透镜聚光后的微弱光信号，在0.1 ～10 lux 低照度范围内，线性相关度达到0.99。
附图说明
9.图1为ingaas光电二极管等效检测电路结构；
10.图2光电二极管的光电检测电路原理图；
11.图3光电二极管光电检测电路噪声等效模型；
12.图4光电检测电路设计原理图；
13.图5光电检测电路的输出噪声；
14.图6输出电压与光照关系。
具体实施方式
15.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式 对本实用新型进行进一步的详细描述。
16.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用 其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。
17.如图1
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图6所示的一种高信噪比光电探测电路，包括光电二极管d9，光电二极管d9通过导线连接运算放大器1的反向输入端，运算放大器1的正向输入端接地，运算放大器1的反向输入端及输出端之间并联反馈电阻 rf 3和反馈电阻 cf 4组成反馈补偿网络，运算放大器1输出端串联电阻r15和电阻r26，电阻r26与电阻r15连接的一端连接电容c18，电容c18接地，电阻r26的另一端连接电容c27，电容c27接地。运算放大器1连接工作电压，工作电压与地端接100 nf 的电容c32。 光电二极管d为ingaas光电二极管。
18.为了使本电路更具说服性，以下将通过一些噪声分析及噪声测试，来详细描述本电路的研制过程以及器件选型。
19.在各种应用光电检测的实验或项目中，为了较准确评估被测量，常要求光敏器件有良好的线性输出响应，即使光生电流尽可能低损耗地转换为输入外部负载的输出电流，因此对其光电检测电路输出的线性响应分析尤为重要。理论上，光电二极管结构上可等效为一个恒流源与其自身分流结构相并联的形式，结合光电二极管探测器 spice(simulation program with integrated circuit emphasis) 等效模型，可将由光电二极管探测器件组成的光电检测电路简化为如图1所示的等效模型。图1中，为等效恒流源;d为等效理想二极管结构是光电二极管的分流电阻，其值与光电二极管尺寸大小有关，且受温度影响，温度越低，结面积越小，越大；为光电二极管结电容，其值受所加偏压和结面积影响，偏压越大，结面积越小，越小，为其等效串联电阻，其值也与其偏压及结构有关;，分别为后续检测电路等效负载电阻和等效负载电容。
20.当所加光信号为微弱低频光信号时，经光电探测器输出后，光电流将变为几纳安到几微安之间的微弱直流信号，所以，图1中，的分流影响可略去不计。图1中流过等效理想二极管d及并联电阻的电流
ꢀꢀ
， ：
[0021][0022][0023]
式中:为光电二极管加偏压后的反向饱和电流，即无光照时的暗电流，其值与光电二极管自身结面积有关，结面积越小，暗电流 越小;q为电子电量;k是玻尔兹曼常数;为加在光电二极管上的电压;a为一常数，其值约等于2;而= kt/q≈0.026 v，则负载
上的电流可表示为：
[0024][0025]
因此，为了提高光电二极管检测电路输出端线性度，则需满足:
[0026]
1)接在光电二极管端负载 =0；
[0027]
2)选择的光电二极管要尽量满足暗电流极小、并联分流电阻较大、串联电阻较小的条件。
[0028]
为了尽可能检测出混杂在检测电路噪声中的微弱光电流信号，其电路噪声特性分析必不可少。通过对光电二极管检测电路线性等效模型分析可知，在由光电二极管探测器件接受光通量信号并将其转换为电信号输出过程中，要求光电二极管输出端负载尽量满足=0 才能保证检测电路输出端具有良好的线性响应。因此，根据运放电路正常工作时输入端“虚短”特性，可将光电二极管跨接于运放电路正反相输入端，其检测电路原理图如图2所示。图2中，为反馈电阻;为反馈电容，并联在两端，可有效防止因过大而引起的检测电路自激，并起到减小检测电路带宽，抑制噪声干扰的作用。图3给出了其电路结构等效噪声分析模型。
[0029]
因此，为了提高输出端信噪比，则需要：
[0030]
选择并联分流电阻较大且输出光电流亦较大的光电二极管(选择不易过大，这主要是因为较大会加大光电二极管暗电流)；
[0031]
2)选择输入端电压等效噪声密度、电流噪声密度、带宽增益积b 均较小的运放芯片；
[0032]
3)反馈回路的反馈电阻、反馈电容在不影响电路正常工作、满足电路带宽的情况下，应取较大值。
[0033]
经过上述分析，本文以滨松公司ingaas光电探测系列的 g12181
‑
020k光探测器件为例，搭配低噪声高增益的opa858运放芯片，设计微光检测电路并做相关测试。
[0034]
依据光电二极管光电检测电路等效线性响应和噪声特性模型分析结果，由所选器件和芯片设计的光电检测放大电路原理图如图 4 所示。
[0035]
图4中，反馈电阻3与组成反馈补偿网络，光电流经运放后由 10 脚输出，再通过由与组成的无源二阶rc滤波网络进一步滤除输出电信号中的噪声干扰。图4中，在工作电压与地端接100 nf 的电容c32为电源滤波电容；在芯片1脚与2脚接入的电容为记忆电容，起到自动稳零作用。
[0036]
按照如图4的设计原理图搭建实验板电路，在无光照条件下，利用示波器测试了搭建电路的输出噪声，如图5所示。测试显示的输出端噪声直流偏置在2 mv左右，而实际噪声有效值平均不超过10mv，即意味着该检测电路的灵敏度可达10 mv。
[0037]
在低照度微弱光环境下，为了充分收集微弱光信号并消除光照射光电器件表面后受光不均对实验精度的影响，实验使待测弱光信号先通过透镜聚光，将聚光后照度在0.1～
10 lux的低照度光信号正面垂直照射光电探测器有效感光面，测得的输出端电压与输入端光照关系如图 6所示。
[0038]
图6表明，对聚光后光照度为0.1～10 lux(对应探测器输出端的光电流为5～500 na)的微弱光信号，该光电检测电路的线性相关度可达到 0.99，线性输出响应良好。
[0039]
本设计测试了相关微弱光电检测电路，测试结果表明，设计的电路具有输出噪声低、线性良好、结构简单的优点。测试中输出端等效噪声实际不超过10 mv，对经透镜聚光后的微弱光信号，在0.1～10lux 低照度范围内，线性相关度达到 0.99。
[0040]
在本实用新型中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解， 例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上 述术语在本实用新型中的具体含义。
[0041]
在本说明书的描述中，若出现术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描 述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实 施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。 而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适 的方式结合。
[0042]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。