光電二極管

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光電二極管范文第1篇

關鍵詞： 硅PIN光電二極管； 偏置電路； 電子濾波器； 閃爍探測器

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0159?03

Design and application of low?price bias circuit for Si?PIN photodiodes

JIA Mu?lin1， ZENG Guo?qiang2， MA Xiong?nan3

（1. Guangxi Radiation Environment Supervision and Management Station， Naning 530222， China； 2. Chengdu University of Technologe， Chengdu 610059， China；

3. China Institude For Radiation Protection， Taiyuan 030006， China）

Abstract： The Si?PIN photodiodes have been more and more widely used in the areas of weak light signal detection， but the result of detection is more likely affected by bias voltage and other factors. The high?stability bias voltage with low ripple coefficient is essential for accurately achieving the detected weak light singal. A Si?PIN photodiode bias circuit based on TPS61040 DC/DC boost converting chip was design and applied to the weak light signal detection of the NaT （Tl） scintillator. A good result was achieved.

Keywords： Si?PIN photondiode； bias circuit； electronic filter； scintillator detector

硅PIN光電二極管（以下簡稱SPD）作為一種成熟的半導體光電器件，因其特有的優勢在自控、通信、環保、醫療及高能物理研究等領域得到了越來越廣泛的應用，但其使用極易受所加偏置電壓的影響。因此，在實際應用中對SPD上所加的偏置電壓的要求非常苛刻，必須具備很低的紋波系數和良好的穩定性，這也就造成常用的SPD偏置電路成本較高。針對這一情況，本文將介紹一款基于TPS61040電壓轉換芯片的偏壓電路設計，并將其應用于NaI（Tl）+SPD輻射探測器的信號檢測。

1 硅PIN光電二極管與偏置電壓關系

1.1 SPD及其偏置電壓簡介

與普通光電二極管相比，SPD是由中間隔著本征層的PN結構成。當在PN兩端外加反向偏壓時，內建電場幾乎集中于I層，使得耗盡層厚度加大，增大了對光子的吸收和轉換有效區域，提高了量子效率；同時，PN節雙電層間距加寬，降低了器件本身的結電容，如圖1所示。使得器件的響應速度提高，有利于在微弱光脈沖信號檢測領域的運用；此外，結電容的降低減小了信號電荷在其上的分配，有利于為前置放大電路輸入更多的原始信號電荷。

圖1 偏置電壓與結電容關系

1.2 偏置電壓電平選擇

但偏置電壓不是越高越好，原因是SPD的暗電流隨偏壓的增加而增加，如圖2所示。當偏壓超過一定值時，暗電流隨偏壓呈線性增長趨勢，使得整個系統的信噪比迅速降低。在進行微弱光信號檢測時，若所加偏壓自身噪聲較大，將直接影響到有用信號的提取，甚至可能將有用信號完全湮沒。綜合SPD的特性曲線和實驗結果，一般將偏置電壓設定在24 V。

圖2 偏置電壓與暗電流關系

2 偏置電路設計

2.1 升壓芯片確定

通常，便攜式儀器配用的電源電壓為較低，無法滿足SPD偏置電壓電平24 V的要求，須進行升壓處理。目前，主要選用APD（雪崩光電二極管）專用升壓芯片（如：MAX5026，MAX1932等）構成SPD的偏置電路，但成本相對較高，且這類芯片升壓幅度遠超過SPD的需要，造成了一定的浪費。因此，設計一款低成本的SPD專用偏置電路是非常有必要的。

本文選用的TPS61040升壓芯片是一款由德州儀器公司生產的電感式DC/DC升壓轉換器，其主要特點是價格低、功耗低、轉換效率高。該芯片采用脈沖頻率調制（FPM）模式，開關頻率高達1 MHz；輸入電壓范圍為1.8～6 V，可選用的供電電源較為豐富，適用性強；最高輸出電壓可達28 V，可滿足絕大部分SPD的偏壓電平要求。

2.2 TPS61040工作原理

TPS61040的內部功能結構如圖3所示，其脈沖頻率調制模式（PFM）工作原理如下：轉換器通過FB腳檢測輸出電壓，當反饋電壓降到參考電壓1.233 V以下時，啟動內部開關，使電感電流增大，并開始儲能；當流過外部電感的電流達到內部設定的電流峰值400 mA或者開關啟動時間超過6 μs時，內部開關自動關閉，電感所儲能量開始釋放；反饋電壓低于1.233 V或內部開關關閉時間超過400 ns，開關再次啟動，電流增大。通過PFM峰值電流控制的調配，轉換器工作在不間斷導通模式，開關頻率取決于輸出電流大小。這種方式使得轉換器具有85%的轉換效率。芯片內部集成的MOSFET開關，可使輸出端SW與輸入端隔離。在關斷過程中輸入電壓與輸出電壓間無聯接，可將關斷電流減小到0.1 μA量級，從而大大降低了功率。

圖3 TPS61040的功能模塊

2.3 升壓電路設計

本文設計（圖4所示）采用5 V電池作為電源，輸出電壓+24.5 V。根據TPS61040的數據手冊可知反饋電平決定了輸出電壓的值，反饋電平又與分壓電阻直接相關，輸出電壓[Vout]可按如下公式計算：

[Vout=1.233*（1+RTRB）]

式中：[RT]和[RB]分別為上下分壓電阻，在電池供電的情況下，二者的最大阻值分別為2.2 MΩ與200 kΩ。在選擇反饋電阻時，應綜合考慮阻值與反饋電平的關系，較小的阻值有利于減小反饋電平的噪聲，本文中[RT]和[RB]分別選用阻值1 MΩ與51 kΩ的電阻，根據上式可得輸出的電壓電平為24.5 V。為減小輸出電壓的紋波，可在[RT]上并聯一補償電容。三極管[Q1]用于隔離負載與輸入電源。

圖4 升壓轉換器原理圖

2.4 濾波電路設計

根據PFM模式的工作原理可知，流過儲能電感的電流呈現周期性的變化，從而將其內貯存的磁能轉化為電能輸出，造成了偏置電路的輸出電平也呈周期性變化，波形近似為三角波，如圖5所示。這使得升壓轉換器輸出的電壓不能直接用于的SPD偏置。

要得到理想的偏置電壓，必須對其進行處理。本文采用電子濾波器來完成偏壓的濾波，電路原理如圖6所示。根據電子濾波器有放大電容的作用，可以用容量和體積均較小的電容來實現超大電容的功能，基本設計如圖6所示。通過濾波處理后，成功將偏置電壓的紋波控制在2 mV以內（見圖7），且整個偏壓電路體積較小，而且成本較低。

圖5 升壓轉換器輸出電壓波形

圖6 偏壓濾波原理圖

圖7 濾波后的偏壓

3 應用實例

本文選用的SPD為濱淞公司S3590?08型大面積硅PIN光電二極管，可用于閃爍探測器中光電轉換功能，選用的閃爍體為一塊體積Φ30 mm×25 mm的圓柱形NaI（Tl）晶體，通過一塊聚光光錐將NaI（Tl）晶體發出微弱光線匯集到S3590?08的受光面進行探測，并采用本文設計的升壓電路為S3590?08提供偏壓；選用的放射源核素為Cs?137。SPD輸出信號經過前置放大器（原理如圖8所示）處理后，輸出信號的波形如圖9所示，可見本文設計的偏置電路基本達到輻射信號檢測的需要。

圖8 前放原理圖

圖9 加有偏壓核脈沖信號波形

4 結 論

本實驗表明，基于TPS61040升壓轉換器的升壓電路是可以用作對偏壓要求較高的SPD的偏置電源，與采用APD專用偏壓芯片構成的同類電路相比，成本更低，且電路結構簡單、功耗較低、體積較小，具有一定的實際運用價值。

參考文獻

[1] 尼曼（美）.半導體物理與器件[M].3版.北京：電子工業出版社，2005.

[2] 凌球，郭蘭英.核輻射探測[M].北京：原子能出版社，1992.

[3] 侯振義.直流開關電源技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[4] 薛永毅.新型電源電路應用實例[M].北京：電子工業出版社，2001.

光電二極管范文第2篇

技術理論分析

“超級”CCD與普通CCD最大的不同，是其使用的不再是普通的矩形光電二極管，而是較大的八角形光電二極管，像素則以蜂窩式排列。如圖。

要提高影像質量就必須增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情況下，增加像素就意味著要縮小像素，從而縮小了像素中的光電二極管，而要提高CCD的感光度和信噪比則必須加大每個像素的光電二極管，這一矛盾對于CCD而言是難以克服的。

而“超級”CCD的設計卻可以使這一矛盾得以緩和。其像素按45度角排列為蜂窩狀后，控制信號通路被取消，節省下的空間使光電二極管得以增大，而八角形的光電二極管因更接近微透鏡的圓形，從而可以比矩形光電二極管更有效的吸收光。光電二極管的加大和光吸收效率的提高使每個像素的吸收電荷增加，從而提高了CCD的感光度和信噪比。

普通CCD由于在互相垂直的軸上間隔較大，使其水平和垂直分辨率低于對角線上的分辨率，而“超級”CCD互相垂直的軸上間隔變窄，因此水平和垂直分辨率高于對角線上的分辨率，這也就意味著水平和垂直分辨率得到了相對提高。

從理論分析而言，使用“超級”CCD的數碼相機比使用普通CCD的數碼相機顯然更具優勢。

實拍結果對比

為了使CCD以外因素的影響減到最低，拍攝所使用的相機均為富士產品――富士 FinePix4700zoom(240萬像素“超級CCD”，相當于35mm相機35-105mm富士龍鏡頭)和富士MX-2900zoom(230萬像素普通CCD，相當于35mm相機36-108mm EBC富士龍鏡頭)，此兩款數碼相機CCD硬件精度與鏡頭均很接近。

由以上理論分析和實拍對比，“超級”CCD必將以更優秀的性能而逐步取代普通CCD。但想要由此把傳統鹵化銀攝影術拉下馬來仍需要克服自身的致命弱點――處理速度太慢。

注：測試使用相機由聯想科技商城提供。

vs.=versus,對比之意。

普通CCD “超級”CCD

240萬像素“超級”CCD(4700Zoom攝于故宮)

230萬像素普通CCD(2900Zoom攝于故宮)

微距模式下：

微距模式下兩種CCD在細節表現方面均很好，但相比之下，“超級”CCD的圖像細膩程度和影像深度則稍勝一籌。

240萬像素“超級”CCD(4700Zoom攝于爨底下)

230萬像素普通CCD(2900Zoom攝于爨底下)

一般模式下，廣角：

對于全景，普通CCD與“超級”CCD的差距很明顯，“超級”CCD在層次過渡、明暗變化方面表現得更好。

240萬像素“超級”CCD(4700Zoom攝于首鋼)

230萬像素普通CCD(2900Zoom攝于首鋼)

光電二極管范文第3篇

觸摸屏是一類能夠檢測觸摸存在和位置的顯示設備，它們可以讓用戶通過設備屏幕直接與設備交互。今天，許多微控制器集成了相應的嵌入式電路，使其能夠用于觸摸屏控制。微控制器可用于設定門限，提供最小化誤觸發的噪聲消除，實現支持多種不同類型觸摸輸入的主機固件。

為了進一步改善人機界面的表現能力，設計師能夠為其添加接近傳感器。單一接近傳感器可用于檢測物體的存在與否，如手或者用戶身體。這種功能在許多應用中非常有用。例如，計算機顯示器能夠使用嵌入式接近檢測器感應用戶的存在，當檢測到用戶不在時，它可以關閉屏幕，以節省電力；當感應到用戶返回時，它又重新點亮屏幕。

另一種迅速流行的人機界面技術是運動檢測，這種運動感知能力是指系統有識別物體移動以便執行特定功能的能力。例如，手機應用程序可能會允許用戶通過晃動一下手機來進行文件翻頁。可以添加另一個接近傳感器到設計中，使得設備具有一維空間運動檢測的能力。通過定制固件，兩個接近傳感器與微處理器緊密配合，不僅能提供運動檢測能力，還能檢測出運動的方向。

要理解動作感應系統設計的理論基礎，需要了解紅外線(IR)與可見光的差異，探討接近和運動感應系統如何在單一LED下運行，以及系統在使用多個LED進行多接近測量時如何工作。

當我們談及“光”時，通常指的是來自太陽或燈具的可見光，然而，可見光僅占光譜范圍中的一小部分。我們把可見光定義為人眼可以識別的所有光線，通常人眼可以識別的光線波長為380―750nm。那么，人眼無法識別的非可見光(如波長為850nm光)又如何呢?

紅外(IR)輻射光的波長為750nm～0.1m。其與可見光有著相同的特性，如反射率，而且它可以通過特殊燈泡或發光二極管生成。因為人眼無法看到IR光，所以我們可以用它來完成一些特殊的人機界面任務，如接近檢測，這樣就無須用戶與系統進行任何直接接觸。

IR接近傳感系統能夠檢測附近物體的存在，并根據檢測結果做出反應，其應用無處不在。例如，手機可以使用接近傳感技術檢測通話時手機是否接近面部。當你把手機靠近耳邊時，手機將檢測到頭的存在，從而自動關閉屏幕以節省電能。其他接近感應系統的例子還包括皂液器和飲水機，你可以把手放在傳感器附近(通常在皂液管或水龍頭附近)，以“非接觸”而又衛生的方式獲取皂液或水。在高級汽車上，外部防碰撞系統也使用接近檢測，當汽車與其他汽車或者物體太靠近時，接近檢測會提醒司機注意。有些車輛還可以使用車內接近感應系統檢測乘客的存在，從而調整安全裝置(如安全氣囊)。

接近檢測通過專門設計的IR LED實現。與IR LED相對應的是光電二極管，它一般用來檢測LED發出的IR光。當IR LED和光電二極管同方向放置時，光電二極管將不會檢測到任何IR光，除非有物體在LED的前面，將光反射回光電二極管。反射回光電二極管的光強與物體到光電二極管的距離成反比關系。

單一LED和光電二極管相結合可以檢測一些動作，例如，可以檢測物體是否靠近或遠離光電二極管，但這僅僅是一維空間檢測。假設一個系統，其布局如圖1所示，單一LED系統僅使用LEDl與IR傳感器。現在，做三個不同方向的運動來進行檢測。三個方向的運動包括沿圖1X軸從左到右的滑動，沿Y軸從底部到頂部的滑動，以及垂直于圖1由遠及近，然后由近及遠的往復運動。

圖2是三個動作過程中，Silicon Labs Sil120傳感器感應IR LED后的輸出值。其中，Y軸是反射的IR光強，x軸是時間。圖2表明，單一LED系統不能區分這些手勢，其只能檢測到物體正在接近或遠離傳感器，而不能判別方向。

二維空間檢測由位于不同位置的兩個LED和單個光電二極管組成。從LEDl得到一個測量值，然后快速從LED2獲得另一個測量值，兩個測量值被用于計算二維空間上的物置。其中，一維空間是接近LEDl(左)或接近LED2(右)，而另一維空間是接近或遠離光電二極管。圖3是與圖2相同的三個方向運動檢測結果。其中，白線代表從LEDl中讀出的數據，紅線代表從LED2讀出的數據。從左到右滑動過程中，白線上升，然后是紅線。當手從左到右滑動時，LEDl反射IR光到傳感器，然后是LED2。

三維空間運動檢測由三個LED和單個光電二極管組成，LED3與LED1、LED2不在同一直線上，可以把LED1和LED2之間的連線看作x軸，LED1和LED3之間的連線看作Y軸，從光電二極管和LED到被測物體之間的連線看作z軸。圖4顯示了與圖2和圖3相同的測量過程，其中，藍線代表LED3的測量數據。當手從左向右滑動時，因為手在LED1和LED3上同時通過，LED1和LED3數據線同時上升，然后是LED2數據線。當手從底部向頂部滑動時，因為手先遇到來自LED3的IR光，LED3數據線上升，然后是LED1和LED2。當往復運動時，因為手在整個過程中都反射等量的LED光，三個LED測量值是相同的。

當IR LED和IR傳感器應用于產品時，這些組件通常不會用作裝飾目的而放在外面，終端產品至少需要一個開口或透明窗口，讓IR光透過。

IR LED從窗口中照射出，被外部物體反射后，通過窗口進入sill20傳感器。單一窗口配置的主要缺點是：窗口將導致一些光線被內反射到Siil20，即使在檢測范圍內沒有外部物體時，大量反射光也可能導致傳感器輸出。

雙窗口設計使用其中一個窗口用于IR LED，另一個窗口用于傳感器。通過在LED和傳感器之間進行適當的隔離，設計消除了內部反射的問題，為系統提供更好的敏感性和檢測范圍。

對于IR接近感應系統設計而言，選擇何種IR LED是一項非常重要的決定。IR LED視角對最大檢測距離和范圍有很大影響。從LED射出的IR光形成一個圓錐狀，圓錐頂角(大多數LED能量從這里輸出)被稱為LED視角。

光電二極管范文第4篇

 

在可見光通信系統中，光信號接收前置放大電路是一個重要的組成部分。低噪聲、寬頻帶和足夠的增益是對該部分電路的基本要求。具有較佳技術性能的光電接收前置放大電路往往使用了價格高昂的器件，使其成本過高，對可見光通信技術的市場應用產生了不利影響。

 

1 技術方案

 

1.1 設計要求

 

在保證高速、高增益的同時具有低成本的優點，滿足以熒光型LED作為信號發射源、直接數字強度調制的可見光通信系統光電轉換前置放大電路的需求。

 

1.2 技術參數確定

 

頻率響應。-3dB高頻響應為2MHz-10MHz。

 

靈敏度。可見光通信系統中，LED光源同時兼具照明和可見光通信信號發送的雙重作用。日常生活、工作中，對室內參考平面上光照度的最低要求一般為100lx。為留有一定裕量，以照度值50lx作為可見光通信系統正常工作的閾值。考慮到后續電路的要求，擬定前置放大電路此時的輸出電壓應不小于 0.5Vpp(0.177Vrms)。

 

供電電源形式。采用+5V單電源供電以降低供電電源的復雜性。

 

1.3 實現方案

 

光電接收器采用PIN光電二極管，具有電路結構簡單和成本低廉的特點。放大電路由光電轉換跨阻放大器和電流反饋型高速放大器組成。電路如圖1所示。

 

2 第一級放大電路和PIN光電二極管

 

PIN光電二極管D1、電阻R3和電壓反饋型運放U1等組成電流-電壓轉換器即跨阻放大器。

 

忽略光電管漏電流影響，放大器輸出電壓為：

 

(1)

 

其中Ip為PIN管光電轉換產生的信號電流。

 

電壓反饋型放大器組成的跨阻放大器與單純電壓反饋型放大器相比，具有更好的的頻率響應。其高頻截止頻率為：

 

(2)

 

其中GBP為U1的增益帶寬積，Ci為光電二極管結電容C0和U1的輸入電容之和。

 

C2為跨阻放大器的相位補償電容，可由下式求出：

 

(3)

 

因R3和PCB存在寄生電容，故C2的最終取值應通過實驗進行調整。

 

U1選用低成本、高性能電壓反饋型放大器AD8057，具有高速、低噪聲、低失真和低功耗的特點。其輸入電容為2pF、5V單電源供電時GBP為300MHz。

 

分壓電阻選R1=R2，則=+2.5V。光電二極管D1工作于反偏工作狀態，有利于減少結電容從而提高頻率響應。

 

PIN光電二極管的選取應從高速響應特性、光譜接收特性等方面考慮。這里選用OSRAM公司的BPW34。其上升、下降沿時間為20ns。對于400nm-760nm的可見光波長，相對光譜靈敏度>10%。

 

由BPW34數據規格表中的電容特性曲線可求出當VR=2.5V時，電容C0=28pF。通過實驗可測得當所采用的LED光源光照度為50lx時IP=0.23μA(VR=2.5V)。

 

3 第二級放大電路

 

由電流反饋型運放U2組成。電流反饋型運放較電壓反饋型運放相比，帶寬隨增益變化較小，高增益時仍能保持高帶寬。

 

本級電壓增益為：

 

(4)

 

U2選用低成本、高速、高性能電流反饋型放大器ADA4860-1，具有優良的綜合性能。

 

根據ADA4860-1數據手冊的推薦和實驗驗證，可按表1選取電阻值。

 

4 電路總頻響和輸出電壓

 

高頻響應：

 

(5)

 

輸出電壓：

 

(6)

 

5 設計實例和測試

 

取f1=5MHZ，由公式(1)(2)(3)可計算出第一級放大器的R3=63.7kΩ、C2=0.11pF、50lx調制光照下的輸出電壓U01=15mVrms。

 

根據靈敏度設計要求，由公式(6)可求出A2應大于177/15=11.8。取A2=20，則U02=300mVrms。由表1可得R5=348Ω，R4=18.2Ω，f2=70MHz。

 

由公式(5)可計算出電路頻響fH=4.5MHz。

 

按上述相關計算值選取元件，實測電路-3dB高頻響應頻率為3.8MHz。當信號頻率為1MHz、LED光源光照度為50lx時，實測電路輸出電壓為310Vrms。電路工作總電流實測為10mA。

 

由于R3和PCB寄生電容降低了第一級放大器頻響，電路頻響的計算值和實測值存在一定誤差。在設計時頻響的取值應留有余量。改變U1、U2頻響和增益的設計組合參數，選取相應的元件值，電路頻響可達10MHz。

 

6 結語

 

設計的電路分別采用兩種不同類型的放大器，充分發揮了各自的特點。在保證高速、高增益、低噪聲的同時具有低成本的優點。相關電路已申請專利，目前已應用于基于可見光通信技術的計量儀器數據無線采集系統。

光電二極管范文第5篇

光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。

發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的發射裝置。它由

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