光电二极管

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光电二极管范文第1篇

关键词： 硅PIN光电二极管； 偏置电路； 电子滤波器； 闪烁探测器

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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光电二极管（以下简称SPD）作为一种成熟的半导体光电器件，因其特有的优势在自控、通信、环保、医疗及高能物理研究等领域得到了越来越广泛的应用，但其使用极易受所加偏置电压的影响。因此，在实际应用中对SPD上所加的偏置电压的要求非常苛刻，必须具备很低的纹波系数和良好的稳定性，这也就造成常用的SPD偏置电路成本较高。针对这一情况，本文将介绍一款基于TPS61040电压转换芯片的偏压电路设计，并将其应用于NaI（Tl）+SPD辐射探测器的信号检测。

1 硅PIN光电二极管与偏置电压关系

1.1 SPD及其偏置电压简介

与普通光电二极管相比，SPD是由中间隔着本征层的PN结构成。当在PN两端外加反向偏压时，内建电场几乎集中于I层，使得耗尽层厚度加大，增大了对光子的吸收和转换有效区域，提高了量子效率；同时，PN节双电层间距加宽，降低了器件本身的结电容，如图1所示。使得器件的响应速度提高，有利于在微弱光脉冲信号检测领域的运用；此外，结电容的降低减小了信号电荷在其上的分配，有利于为前置放大电路输入更多的原始信号电荷。

图1 偏置电压与结电容关系

1.2 偏置电压电平选择

但偏置电压不是越高越好，原因是SPD的暗电流随偏压的增加而增加，如图2所示。当偏压超过一定值时，暗电流随偏压呈线性增长趋势，使得整个系统的信噪比迅速降低。在进行微弱光信号检测时，若所加偏压自身噪声较大，将直接影响到有用信号的提取，甚至可能将有用信号完全湮没。综合SPD的特性曲线和实验结果，一般将偏置电压设定在24 V。

图2 偏置电压与暗电流关系

2 偏置电路设计

2.1 升压芯片确定

通常，便携式仪器配用的电源电压为较低，无法满足SPD偏置电压电平24 V的要求，须进行升压处理。目前，主要选用APD（雪崩光电二极管）专用升压芯片（如：MAX5026，MAX1932等）构成SPD的偏置电路，但成本相对较高，且这类芯片升压幅度远超过SPD的需要，造成了一定的浪费。因此，设计一款低成本的SPD专用偏置电路是非常有必要的。

本文选用的TPS61040升压芯片是一款由德州仪器公司生产的电感式DC/DC升压转换器，其主要特点是价格低、功耗低、转换效率高。该芯片采用脉冲频率调制（FPM）模式，开关频率高达1 MHz；输入电压范围为1.8～6 V，可选用的供电电源较为丰富，适用性强；最高输出电压可达28 V，可满足绝大部分SPD的偏压电平要求。

2.2 TPS61040工作原理

TPS61040的内部功能结构如图3所示，其脉冲频率调制模式（PFM）工作原理如下：转换器通过FB脚检测输出电压，当反馈电压降到参考电压1.233 V以下时，启动内部开关，使电感电流增大，并开始储能；当流过外部电感的电流达到内部设定的电流峰值400 mA或者开关启动时间超过6 μs时，内部开关自动关闭，电感所储能量开始释放；反馈电压低于1.233 V或内部开关关闭时间超过400 ns，开关再次启动，电流增大。通过PFM峰值电流控制的调配，转换器工作在不间断导通模式，开关频率取决于输出电流大小。这种方式使得转换器具有85%的转换效率。芯片内部集成的MOSFET开关，可使输出端SW与输入端隔离。在关断过程中输入电压与输出电压间无联接，可将关断电流减小到0.1 μA量级，从而大大降低了功率。

图3 TPS61040的功能模块

2.3 升压电路设计

本文设计（图4所示）采用5 V电池作为电源，输出电压+24.5 V。根据TPS61040的数据手册可知反馈电平决定了输出电压的值，反馈电平又与分压电阻直接相关，输出电压[Vout]可按如下公式计算：

[Vout=1.233*（1+RTRB）]

式中：[RT]和[RB]分别为上下分压电阻，在电池供电的情况下，二者的最大阻值分别为2.2 MΩ与200 kΩ。在选择反馈电阻时，应综合考虑阻值与反馈电平的关系，较小的阻值有利于减小反馈电平的噪声，本文中[RT]和[RB]分别选用阻值1 MΩ与51 kΩ的电阻，根据上式可得输出的电压电平为24.5 V。为减小输出电压的纹波，可在[RT]上并联一补偿电容。三极管[Q1]用于隔离负载与输入电源。

图4 升压转换器原理图

2.4 滤波电路设计

根据PFM模式的工作原理可知，流过储能电感的电流呈现周期性的变化，从而将其内贮存的磁能转化为电能输出，造成了偏置电路的输出电平也呈周期性变化，波形近似为三角波，如图5所示。这使得升压转换器输出的电压不能直接用于的SPD偏置。

要得到理想的偏置电压，必须对其进行处理。本文采用电子滤波器来完成偏压的滤波，电路原理如图6所示。根据电子滤波器有放大电容的作用，可以用容量和体积均较小的电容来实现超大电容的功能，基本设计如图6所示。通过滤波处理后，成功将偏置电压的纹波控制在2 mV以内（见图7），且整个偏压电路体积较小，而且成本较低。

图5 升压转换器输出电压波形

图6 偏压滤波原理图

图7 滤波后的偏压

3 应用实例

本文选用的SPD为滨淞公司S3590?08型大面积硅PIN光电二极管，可用于闪烁探测器中光电转换功能，选用的闪烁体为一块体积Φ30 mm×25 mm的圆柱形NaI（Tl）晶体，通过一块聚光光锥将NaI（Tl）晶体发出微弱光线汇集到S3590?08的受光面进行探测，并采用本文设计的升压电路为S3590?08提供偏压；选用的放射源核素为Cs?137。SPD输出信号经过前置放大器（原理如图8所示）处理后，输出信号的波形如图9所示，可见本文设计的偏置电路基本达到辐射信号检测的需要。

图8 前放原理图

图9 加有偏压核脉冲信号波形

4 结 论

本实验表明，基于TPS61040升压转换器的升压电路是可以用作对偏压要求较高的SPD的偏置电源，与采用APD专用偏压芯片构成的同类电路相比，成本更低，且电路结构简单、功耗较低、体积较小，具有一定的实际运用价值。

参考文献

[1] 尼曼（美）.半导体物理与器件[M].3版.北京：电子工业出版社，2005.

[2] 凌球，郭兰英.核辐射探测[M].北京：原子能出版社，1992.

[3] 侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[4] 薛永毅.新型电源电路应用实例[M].北京：电子工业出版社，2001.

光电二极管范文第2篇

技术理论分析

“超级”CCD与普通CCD最大的不同，是其使用的不再是普通的矩形光电二极管，而是较大的八角形光电二极管，像素则以蜂窝式排列。如图。

要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小像素，从而缩小了像素中的光电二极管，而要提高CCD的感光度和信噪比则必须加大每个像素的光电二极管，这一矛盾对于CCD而言是难以克服的。

而“超级”CCD的设计却可以使这一矛盾得以缓和。其像素按45度角排列为蜂窝状后，控制信号通路被取消，节省下的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形，从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高使每个像素的吸收电荷增加，从而提高了CCD的感光度和信噪比。

普通CCD由于在互相垂直的轴上间隔较大，使其水平和垂直分辨率低于对角线上的分辨率，而“超级”CCD互相垂直的轴上间隔变窄，因此水平和垂直分辨率高于对角线上的分辨率，这也就意味着水平和垂直分辨率得到了相对提高。

从理论分析而言，使用“超级”CCD的数码相机比使用普通CCD的数码相机显然更具优势。

实拍结果对比

为了使CCD以外因素的影响减到最低，拍摄所使用的相机均为富士产品――富士 FinePix4700zoom(240万像素“超级CCD”，相当于35mm相机35-105mm富士龙镜头)和富士MX-2900zoom(230万像素普通CCD，相当于35mm相机36-108mm EBC富士龙镜头)，此两款数码相机CCD硬件精度与镜头均很接近。

由以上理论分析和实拍对比，“超级”CCD必将以更优秀的性能而逐步取代普通CCD。但想要由此把传统卤化银摄影术拉下马来仍需要克服自身的致命弱点――处理速度太慢。

注：测试使用相机由联想科技商城提供。

vs.=versus,对比之意。

普通CCD “超级”CCD

240万像素“超级”CCD(4700Zoom摄于故宫)

230万像素普通CCD(2900Zoom摄于故宫)

微距模式下：

微距模式下两种CCD在细节表现方面均很好，但相比之下，“超级”CCD的图像细腻程度和影像深度则稍胜一筹。

240万像素“超级”CCD(4700Zoom摄于爨底下)

230万像素普通CCD(2900Zoom摄于爨底下)

一般模式下，广角：

对于全景，普通CCD与“超级”CCD的差距很明显，“超级”CCD在层次过渡、明暗变化方面表现得更好。

240万像素“超级”CCD(4700Zoom摄于首钢)

230万像素普通CCD(2900Zoom摄于首钢)

光电二极管范文第3篇

触摸屏是一类能够检测触摸存在和位置的显示设备，它们可以让用户通过设备屏幕直接与设备交互。今天，许多微控制器集成了相应的嵌入式电路，使其能够用于触摸屏控制。微控制器可用于设定门限，提供最小化误触发的噪声消除，实现支持多种不同类型触摸输入的主机固件。

为了进一步改善人机界面的表现能力，设计师能够为其添加接近传感器。单一接近传感器可用于检测物体的存在与否，如手或者用户身体。这种功能在许多应用中非常有用。例如，计算机显示器能够使用嵌入式接近检测器感应用户的存在，当检测到用户不在时，它可以关闭屏幕，以节省电力；当感应到用户返回时，它又重新点亮屏幕。

另一种迅速流行的人机界面技术是运动检测，这种运动感知能力是指系统有识别物体移动以便执行特定功能的能力。例如，手机应用程序可能会允许用户通过晃动一下手机来进行文件翻页。可以添加另一个接近传感器到设计中，使得设备具有一维空间运动检测的能力。通过定制固件，两个接近传感器与微处理器紧密配合，不仅能提供运动检测能力，还能检测出运动的方向。

要理解动作感应系统设计的理论基础，需要了解红外线(IR)与可见光的差异，探讨接近和运动感应系统如何在单一LED下运行，以及系统在使用多个LED进行多接近测量时如何工作。

当我们谈及“光”时，通常指的是来自太阳或灯具的可见光，然而，可见光仅占光谱范围中的一小部分。我们把可见光定义为人眼可以识别的所有光线，通常人眼可以识别的光线波长为380―750nm。那么，人眼无法识别的非可见光(如波长为850nm光)又如何呢?

红外(IR)辐射光的波长为750nm～0.1m。其与可见光有着相同的特性，如反射率，而且它可以通过特殊灯泡或发光二极管生成。因为人眼无法看到IR光，所以我们可以用它来完成一些特殊的人机界面任务，如接近检测，这样就无须用户与系统进行任何直接接触。

IR接近传感系统能够检测附近物体的存在，并根据检测结果做出反应，其应用无处不在。例如，手机可以使用接近传感技术检测通话时手机是否接近面部。当你把手机靠近耳边时，手机将检测到头的存在，从而自动关闭屏幕以节省电能。其他接近感应系统的例子还包括皂液器和饮水机，你可以把手放在传感器附近(通常在皂液管或水龙头附近)，以“非接触”而又卫生的方式获取皂液或水。在高级汽车上，外部防碰撞系统也使用接近检测，当汽车与其他汽车或者物体太靠近时，接近检测会提醒司机注意。有些车辆还可以使用车内接近感应系统检测乘客的存在，从而调整安全装置(如安全气囊)。

接近检测通过专门设计的IR LED实现。与IR LED相对应的是光电二极管，它一般用来检测LED发出的IR光。当IR LED和光电二极管同方向放置时，光电二极管将不会检测到任何IR光，除非有物体在LED的前面，将光反射回光电二极管。反射回光电二极管的光强与物体到光电二极管的距离成反比关系。

单一LED和光电二极管相结合可以检测一些动作，例如，可以检测物体是否靠近或远离光电二极管，但这仅仅是一维空间检测。假设一个系统，其布局如图1所示，单一LED系统仅使用LEDl与IR传感器。现在，做三个不同方向的运动来进行检测。三个方向的运动包括沿图1X轴从左到右的滑动，沿Y轴从底部到顶部的滑动，以及垂直于图1由远及近，然后由近及远的往复运动。

图2是三个动作过程中，Silicon Labs Sil120传感器感应IR LED后的输出值。其中，Y轴是反射的IR光强，x轴是时间。图2表明，单一LED系统不能区分这些手势，其只能检测到物体正在接近或远离传感器，而不能判别方向。

二维空间检测由位于不同位置的两个LED和单个光电二极管组成。从LEDl得到一个测量值，然后快速从LED2获得另一个测量值，两个测量值被用于计算二维空间上的物置。其中，一维空间是接近LEDl(左)或接近LED2(右)，而另一维空间是接近或远离光电二极管。图3是与图2相同的三个方向运动检测结果。其中，白线代表从LEDl中读出的数据，红线代表从LED2读出的数据。从左到右滑动过程中，白线上升，然后是红线。当手从左到右滑动时，LEDl反射IR光到传感器，然后是LED2。

三维空间运动检测由三个LED和单个光电二极管组成，LED3与LED1、LED2不在同一直线上，可以把LED1和LED2之间的连线看作x轴，LED1和LED3之间的连线看作Y轴，从光电二极管和LED到被测物体之间的连线看作z轴。图4显示了与图2和图3相同的测量过程，其中，蓝线代表LED3的测量数据。当手从左向右滑动时，因为手在LED1和LED3上同时通过，LED1和LED3数据线同时上升，然后是LED2数据线。当手从底部向顶部滑动时，因为手先遇到来自LED3的IR光，LED3数据线上升，然后是LED1和LED2。当往复运动时，因为手在整个过程中都反射等量的LED光，三个LED测量值是相同的。

当IR LED和IR传感器应用于产品时，这些组件通常不会用作装饰目的而放在外面，终端产品至少需要一个开口或透明窗口，让IR光透过。

IR LED从窗口中照射出，被外部物体反射后，通过窗口进入sill20传感器。单一窗口配置的主要缺点是：窗口将导致一些光线被内反射到Siil20，即使在检测范围内没有外部物体时，大量反射光也可能导致传感器输出。

双窗口设计使用其中一个窗口用于IR LED，另一个窗口用于传感器。通过在LED和传感器之间进行适当的隔离，设计消除了内部反射的问题，为系统提供更好的敏感性和检测范围。

对于IR接近感应系统设计而言，选择何种IR LED是一项非常重要的决定。IR LED视角对最大检测距离和范围有很大影响。从LED射出的IR光形成一个圆锥状，圆锥顶角(大多数LED能量从这里输出)被称为LED视角。

光电二极管范文第4篇

 

在可见光通信系统中，光信号接收前置放大电路是一个重要的组成部分。低噪声、宽频带和足够的增益是对该部分电路的基本要求。具有较佳技术性能的光电接收前置放大电路往往使用了价格高昂的器件，使其成本过高，对可见光通信技术的市场应用产生了不利影响。

 

1 技术方案

 

1.1 设计要求

 

在保证高速、高增益的同时具有低成本的优点，满足以荧光型LED作为信号发射源、直接数字强度调制的可见光通信系统光电转换前置放大电路的需求。

 

1.2 技术参数确定

 

频率响应。-3dB高频响应为2MHz-10MHz。

 

灵敏度。可见光通信系统中，LED光源同时兼具照明和可见光通信信号发送的双重作用。日常生活、工作中，对室内参考平面上光照度的最低要求一般为100lx。为留有一定裕量，以照度值50lx作为可见光通信系统正常工作的阈值。考虑到后续电路的要求，拟定前置放大电路此时的输出电压应不小于 0.5Vpp(0.177Vrms)。

 

供电电源形式。采用+5V单电源供电以降低供电电源的复杂性。

 

1.3 实现方案

 

光电接收器采用PIN光电二极管，具有电路结构简单和成本低廉的特点。放大电路由光电转换跨阻放大器和电流反馈型高速放大器组成。电路如图1所示。

 

2 第一级放大电路和PIN光电二极管

 

PIN光电二极管D1、电阻R3和电压反馈型运放U1等组成电流-电压转换器即跨阻放大器。

 

忽略光电管漏电流影响，放大器输出电压为：

 

(1)

 

其中Ip为PIN管光电转换产生的信号电流。

 

电压反馈型放大器组成的跨阻放大器与单纯电压反馈型放大器相比，具有更好的的频率响应。其高频截止频率为：

 

(2)

 

其中GBP为U1的增益带宽积，Ci为光电二极管结电容C0和U1的输入电容之和。

 

C2为跨阻放大器的相位补偿电容，可由下式求出：

 

(3)

 

因R3和PCB存在寄生电容，故C2的最终取值应通过实验进行调整。

 

U1选用低成本、高性能电压反馈型放大器AD8057，具有高速、低噪声、低失真和低功耗的特点。其输入电容为2pF、5V单电源供电时GBP为300MHz。

 

分压电阻选R1=R2，则=+2.5V。光电二极管D1工作于反偏工作状态，有利于减少结电容从而提高频率响应。

 

PIN光电二极管的选取应从高速响应特性、光谱接收特性等方面考虑。这里选用OSRAM公司的BPW34。其上升、下降沿时间为20ns。对于400nm-760nm的可见光波长，相对光谱灵敏度>10%。

 

由BPW34数据规格表中的电容特性曲线可求出当VR=2.5V时，电容C0=28pF。通过实验可测得当所采用的LED光源光照度为50lx时IP=0.23μA(VR=2.5V)。

 

3 第二级放大电路

 

由电流反馈型运放U2组成。电流反馈型运放较电压反馈型运放相比，带宽随增益变化较小，高增益时仍能保持高带宽。

 

本级电压增益为：

 

(4)

 

U2选用低成本、高速、高性能电流反馈型放大器ADA4860-1，具有优良的综合性能。

 

根据ADA4860-1数据手册的推荐和实验验证，可按表1选取电阻值。

 

4 电路总频响和输出电压

 

高频响应：

 

(5)

 

输出电压：

 

(6)

 

5 设计实例和测试

 

取f1=5MHZ，由公式(1)(2)(3)可计算出第一级放大器的R3=63.7kΩ、C2=0.11pF、50lx调制光照下的输出电压U01=15mVrms。

 

根据灵敏度设计要求，由公式(6)可求出A2应大于177/15=11.8。取A2=20，则U02=300mVrms。由表1可得R5=348Ω，R4=18.2Ω，f2=70MHz。

 

由公式(5)可计算出电路频响fH=4.5MHz。

 

按上述相关计算值选取元件，实测电路-3dB高频响应频率为3.8MHz。当信号频率为1MHz、LED光源光照度为50lx时，实测电路输出电压为310Vrms。电路工作总电流实测为10mA。

 

由于R3和PCB寄生电容降低了第一级放大器频响，电路频响的计算值和实测值存在一定误差。在设计时频响的取值应留有余量。改变U1、U2频响和增益的设计组合参数，选取相应的元件值，电路频响可达10MHz。

 

6 结语

 

设计的电路分别采用两种不同类型的放大器，充分发挥了各自的特点。在保证高速、高增益、低噪声的同时具有低成本的优点。相关电路已申请专利，目前已应用于基于可见光通信技术的计量仪器数据无线采集系统。

光电二极管范文第5篇

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由

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