基于光電二極管檢測電路的噪聲分析與電路設(shè)計

張俊杰（漢口學(xué)院機電工程學(xué)院,湖北武漢,430000）

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基于光電二極管檢測電路的噪聲分析與電路設(shè)計

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

摘要：光電二極管可以將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，它主要是通過半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)來實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化步驟的。通過光電二極管對電路的噪聲進行檢測具有重要意義，就主要分析光電二極管對電路的噪聲檢測的價值，同時簡單的分析相關(guān)的電路設(shè)計問題，希望所得結(jié)果能夠為相關(guān)領(lǐng)域提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：光電二極管；電路噪聲；電路設(shè)計

1 光電二極管檢測電路噪聲的分析

1.1 光電二極管的工作原理光電二極管通過光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其主要通過半導(dǎo)體PN結(jié)來實現(xiàn)這一光電效應(yīng)。耗盡層兩側(cè)沒有電場的中性區(qū)內(nèi)，因為熱運動的影響，存在一部分光生電子與空穴以擴散運動的方式進入耗盡層，之后在電場的作用之下，形成和漂移電流方向相同得擴散電流。漂移電流的分量和擴散電流的分量總和就是光生電流、。因此，當P層與N層的連接電路打開的時候，它們的兩端會產(chǎn)生一定的電動勢，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)的空穴電流也會留下N區(qū)，這樣便會形成一種光生電流，當其入射光發(fā)生變化的時候，光生電流會隨著變化進行線性改變，能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)化為電信號。

1.2 光電二極管的低噪聲光電檢測電路設(shè)計的意義

通過光電二極管的轉(zhuǎn)換，一般情況下，其轉(zhuǎn)換而得的電信號比較弱，但這種微弱光電信號檢測的光電流一般為nA～μa級別的，而在檢測微弱光電信號的時候，光電信號很容易受到噪聲的干擾。如果帶檢測的光信號非常微弱，那么可能會對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，采用光電對相關(guān)電路進行檢測的時候，光電轉(zhuǎn)換器件的前置放大電路噪聲對于系統(tǒng)造成等影響較大。比如說，在靶場測試當中，彈丸的射擊密度一般是對低伸彈道武器性能進行評價的一個重要指標。但是在當前，國內(nèi)的靶場一般采用密集度測量等方法進行測量，而且這類方法有很多，較為先進的方法是通過光電靶進行測量。在進行光電檢測電路的設(shè)計時，需要盡可能的降低噪聲，以此來提升系統(tǒng)的信噪比和檢測分辨率。

同時也有研究表明，在進行光電檢測電路的時候，因為光電轉(zhuǎn)換器與前置放大電路的噪聲比會對系統(tǒng)造成較大的影響，但是其對于噪聲源的分析與設(shè)計，以及對低噪聲光電檢測電路的理論論述并不全面。因此需要對基于光電二極管光電檢測電路中噪聲所產(chǎn)生的原因、特點進行分析，同時提出低噪聲光電二極管檢測電路的相關(guān)設(shè)計。這能夠在測試中，降低電路的噪聲，提高檢測的精度，是良好的低噪聲光電檢測電路的設(shè)計在各個方面都能夠發(fā)揮出較好的應(yīng)用。

1.3 光電二極管檢測電路噪聲的實用性分析

采用光電二極管的光電檢測對電路中的噪聲產(chǎn)生原因進行分析，評價其噪聲的特點，針對設(shè)計的過程所出現(xiàn)的各種問題，提出在低噪聲光電二極管檢測電路設(shè)計時候的設(shè)計方法。所以在設(shè)計光電檢測電路的時候，需要盡量的減少噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比和檢測分辨率。微弱的光信號檢測在許多領(lǐng)域當中都有所涉及，其檢測的方法也具有多樣性，但一般常用的方法都因為靈敏度有限，難以滿足相關(guān)的要求，采用光電技術(shù)檢測微弱光信號具有較高的精度，其穩(wěn)定性也相對較好。

2 光電二極管檢測電路噪聲的電路設(shè)計研究

2.1 分析電路的噪聲

因為導(dǎo)電材料當中載流子的不規(guī)則熱運動，使得在材料兩端所產(chǎn)生的隨機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“”，在這個式子當中，K是玻爾茲曼常數(shù)，T是材料的絕對溫度，R（f）是供電電路檢測當中的總電阻隨頻率f的變化關(guān)系。在純電阻情況下，R（f）和頻率不相關(guān)，所以會有“”，如果T=300K，那么KT=4.14×10-21J，這時候電阻的熱噪聲電壓和熱噪聲電流的均值分別為“”和“”。在這個事當中，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，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候，那么會有“”和“”，在這種形態(tài)之下，對nw級進行測量是非常困難的。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，需要充分的對電路當中的各種噪聲的相關(guān)關(guān)系進行分析，才能夠更好的對光電檢測的電路信噪比進行計算和了解，以便于更好的對光電檢測電路的器件參數(shù)進行修改，進而使其更好的滿足相關(guān)設(shè)計的需求。

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算放大器（OPA725）進行運算，這種運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“”。

所以在實際的電路設(shè)計的時候，一方面需要選擇相應(yīng)的電機插件，同時也需要對光電信號的特點進行考慮，這樣才能夠設(shè)計出符合要求的低噪聲光電檢測電路。

3 結(jié)語

本研究主要就光電二極管檢測電路噪聲的相關(guān)情況進行分析，同時就，基于光電二極管檢測電路的噪聲電路設(shè)計進行研究，筆者認為，需要合理地選擇相關(guān)的電路插件，充分的考慮光電信號的特點，以此來設(shè)計出符合降低噪聲光電檢測的線路是十分必要的，因此需要研究人員不斷的努力探索，并在工作中做到認真負責。

參考文獻

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