高速微型光電檢測電路設(shè)計(jì)

摘要：本文分析了高速微型光電檢測電路具體項(xiàng)目的技術(shù)要求，提出了電路設(shè)計(jì)的功能及技術(shù)指標(biāo)，合理地選擇了滿足快速性要求的電路結(jié)構(gòu)和滿足電氣性能與物理性能要求的元器件，設(shè)計(jì)了精簡的二級(jí)三極管光電放大電路。通過測試，電路性能指標(biāo)滿足項(xiàng)目的需要。

引言

　　現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展越來越系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)，實(shí)際工程對(duì)技術(shù)的需求變得越來越多樣化和個(gè)性化。對(duì)于檢測技術(shù)也是這樣，標(biāo)準(zhǔn)化的展品越來越難以滿足個(gè)性化的現(xiàn)實(shí)需求，而定制產(chǎn)品可以更好地滿足某些個(gè)性化的工程需求。

1 性能要求

　　在某項(xiàng)目中，通過對(duì)項(xiàng)目需求的挖掘分析，提出了光電檢測前端的功能要求及技術(shù)指標(biāo)。要求光電檢測的線性陣列的響應(yīng)周期時(shí)間為11μs ~ 22μs，上升時(shí)間不大于10ns，陣列中每個(gè)光電檢測單元的中心間距不大于2mm。

2 分析

　　在光電檢測中，常用的元件有CCD(電荷耦合元件)、PD(光電二極管)、PT(光敏三極管)和APD(雪崩光電二極管)。其中，CCD由于信號(hào)串行輸出，響應(yīng)速度很慢;PT的響應(yīng)時(shí)間為10μs級(jí);PD的響應(yīng)時(shí)間為10ns級(jí)，而且價(jià)格比較便宜;APD技術(shù)性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴，物理尺寸大，很難做成規(guī)模較大的精密線陣。

　　硅光電二極管PD通常是用在光電導(dǎo)工作模式下。在無光照射條件下，若給PN結(jié)加一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓會(huì)加強(qiáng)內(nèi)建電場，使得PN結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢磊增大;當(dāng)PD被光照射時(shí)，在PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被加強(qiáng)了的內(nèi)建電場拉開，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，于是形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。光電流比無光照時(shí)的反向飽和電流大得多。相同條件下，光照越強(qiáng)，產(chǎn)生的載流子越多，光電流就越大。硅光電二極管PD的等效電路如圖1。

　　為提高設(shè)計(jì)效率，采用自下向上的模塊化方法。把一個(gè)硅光電二極管及其放大電路設(shè)計(jì)為一個(gè)基本單元電路，再把多個(gè)單元電路設(shè)計(jì)為一個(gè)光電檢測線性陣列。

3 元件選擇

　　通過分析項(xiàng)目約束，選擇硅光電二極管PD15-21B。PD15-21B的數(shù)據(jù)手冊的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

　　硅光電二極管PD15-21B的有效感光面積為0.3mm²×0.3mm²。另外，硅光電二極管PD15-21B的電流-光照特性是顯著線性的，伏安特性的線性也較好，過度時(shí)間短，溫度漂移也較小。

　　所以硅光電二極管PD15-21B是理想的紅外光檢測元件，滿足項(xiàng)目的技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性要求。

　　放大電路的設(shè)計(jì)，既要滿足電氣性能要求，也要滿足物理性能要求。常用的有運(yùn)算放大器放大電路和三極管放大電路。對(duì)于運(yùn)算放大器放大電路(如圖 2所示)而言，一般的運(yùn)算放大器的截止頻率太低，難以與光電二極管PD15-21B的上升時(shí)間和下降時(shí)間匹配，供電、外形尺寸和價(jià)格都較難滿足工程要求，所以無法使用。

　　對(duì)于三極管放大電路，由于三極管的放大倍數(shù)有限，所以單級(jí)放大電路難以輸出標(biāo)準(zhǔn)的電平供后續(xù)電路進(jìn)行邏輯處理。所以采用兩級(jí)三極管放大電路較為合理。

　　選擇Philips Semiconductors生產(chǎn)的BCM847BV雙NPN三極管，其單管的直流放大倍數(shù)典型值為250(V_CE = 5 V; I_C = 10 μA)，截止頻率典型值為250MHz(最小值為100MHz)，雙管為SOT666封裝，外輪廓線最大為1.7mm²×1.7mm²。

4 電路設(shè)計(jì)

　　用硅光電二極管PD15-21B作為敏感元件，BCM847BV作為放大元件，構(gòu)成的光電檢測電路如圖3所示。當(dāng)PD未被激光束照射時(shí)，T1截止，T2基極正偏，T2導(dǎo)通，輸出Vo為低電平;當(dāng)PD被激光束照射時(shí)，T1導(dǎo)通，T2基極反偏，T2截止，Vo輸出為高電平。

　　本單元電路在項(xiàng)目中所構(gòu)成的光電線性陣列前端，其中橫向陣列局部的PCB板圖如圖4所示。每一個(gè)單元電路的寬度為2mm。

5 實(shí)驗(yàn)

　　一個(gè)寬度為9mm的遮光器，以200m/s的速度遮斷照射一個(gè)單元電路的PD15-21B的紅外激光束，并測試放大電路的輸出。此實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于在PD上形成一個(gè)寬度為44.8μs，上升時(shí)間和下降時(shí)間均為1.5ns的暗光脈沖，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大和計(jì)算，期望的理想輸出一個(gè)寬度為44.8μs，上升時(shí)間和下降時(shí)間均為1.5ns的高電平脈沖。放大電路的輸出波形(根據(jù)示波器波形繪制)如圖 5所示。放大電路的性能指標(biāo)如表 2所示。

　　實(shí)測波形前沿比較陡峭，上升時(shí)間為6ns，完全滿足10ns的要求。脈沖寬度與設(shè)想一致。輸出高電平為5V，低電平近似0V，非常理想，適合后續(xù)電路并行處理。

6 結(jié)論

　　用硅光電二極管PD15-21B作為敏感元件，BCM847BV作為放大元件，構(gòu)成的光電檢測電路精簡、靈敏度高、過度時(shí)間短且輸出TTL電平的物理尺寸非常小，所構(gòu)成的線性陣列電路性能指標(biāo)完全滿足項(xiàng)目的要求。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第48頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。