基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计

张俊杰

（汉口学院机电工程学院,湖北武汉,430000）

摘要：光电二极管可以将光信号转化为电信号，它主要是通过半导体PN结的光电效应来实现这一转化步骤的。通过光电二极管对电路的噪声进行检测具有重要意义，就主要分析光电二极管对电路的噪声检测的价值，同时简单的分析相关的电路设计问题，希望所得结果能够为相关领域提供有价值的参考。关键词：光电二极管；电路噪声；电路设计

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.

photodiode;circuit noise;circuit designKeywords：

DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2016.06.015

1 光电二极管检测电路噪声的分析

1.1 光电二极管的工作原理

光电二极管通过光信号转换为电信号，其主要通过半导体

PN结来实现这一光电效应。耗尽层两侧没有电场的中性区内，因为热运动的影响，存在一部分光生电子与空穴以扩散运动的方式进入耗尽层，之后在电场的作用之下，形成和漂移电流方向相同得扩散电流。漂移电流的分量和扩散电流的分量总和就是光生电流、。因此，当P层与N层的连接电路打开的时候，它们的两端会产生一定的电动势，而这种效应便被称之为光电效应。如果连接的电路出现闭合，那么N区域内的过剩电子会通过外部电流区域流向P区，同理也可以得出，P区的空穴电流也会留下N区，这样便会形成一种光生电流，当其入射光发生变化的时候，光生电流会随着变化进行线性改变，能够将光信号转化为电信号。

其对于噪声源的分析与设计，以及对低噪声光电检测电路的理论

论述并不全面。因此需要对基于光电二极管光电检测电路中噪声所产生的原因、特点进行分析，同时提出低噪声光电二极管检测电路的相关设计。这能够在测试中，降低电路的噪声，提高检测的精度，是良好的低噪声光电检测电路的设计在各个方面都能够发挥出较好的应用。

1.3 光电二极管检测电路噪声的实用性分析

采用光电二极管的光电检测对电路中的噪声产生原因进行分析，评价其噪声的特点，针对设计的过程所出现的各种问题，提出在低噪声光电二极管检测电路设计时候的设计方法。所以在设计光电检测电路的时候，需要尽量的减少噪声，提高系统的信噪比和检测分辨率。微弱的光信号检测在许多领域当中都有所涉及，其检测的方法也具有多样性，但一般常用的方法都因为灵敏度有限，难以满足相关的要求，采用光电技术检测微弱光信号具有较高的精度，其稳定性也相对较好。

1.2 光电二极管的低噪声光电检测电路设计的意义

通过光电二极管的转换，一般情况下，其转换而得的电信号

比较弱，但这种微弱光电信号检测的光电流一般为nA~μa级别的，而在检测微弱光电信号的时候，光电信号很容易受到噪声的干扰。如果带检测的光信号非常微弱，那么可能会对电路的线性和信噪比的要求产生影响，而电路的线性和信噪比要求一般情况下较高。有研究表明，采用光电对相关电路进行检测的时候，光电转换器件的前置放大电路噪声对于系统造成等影响较大。比如说，在靶场测试当中，弹丸的射击密度一般是对低伸弹道武器性能进行评价的一个重要指标。但是在当前，国内的靶场一般采用密集度测量等方法进行测量，而且这类方法有很多，较为先进的方法是通过光电靶进行测量。在进行光电检测电路的设计时，需要尽可能的降低噪声，以此来提升系统的信噪比和检测分辨率。

同时也有研究表明，在进行光电检测电路的时候，因为光电转换器与前置放大电路的噪声比会对系统造成较大的影响，但是

2 光电二极管检测电路噪声的电路设计研究

2.1 分析电路的噪声

因为导电材料当中载流子的不规则热运动，使得在材

料两端所产生的随机涨落电压或电流称之为热噪声。热噪声的电压均值一般取决于材料的温度电阻和噪声的等效带宽，它的一般关系是主要为“

”，在这个式

子当中，K是玻尔兹曼常数，T是材料的绝对温度，R（f）是供电电路检测当中的总电阻随频率f的变化关系。在纯电阻情况下，R（f）和频率不相关，所以会有“”，如果

-21

T=300K，那么KT=4.14×10J，这时候电阻的热噪声电压和热噪声电流的均值分别为“”和“”。在这个事当中，f是噪声的等

322016.06效带宽，而通过“

”和“

”能够得出，和

设计与研发检测，然后再设计出Rf的值，如果给定的光信号最大功率为

“”，别那么需要仍然选择“为”的电阻，以此来确保其能够得到大约为4V的输出电压。运算放大器的调0电阻为，2个容量为的电容链接在运算放大器的正负电源和地之间，用于滤除电源的波动。放大器供电电路电源的稳定度为，其滤波电容选。R和C用来减小噪声频带宽以减小电阻的热噪声。光电二极管工作于0偏压，光电二极管和运算放大器的两个输入端同极相连，运算放大器两个输入端间的输入阻抗是光电二极管的负载电阻，可表示为

”其中A为放大器的开环放大倍数，为反馈电“

阻。当，时，很小，可以认为光电二极管处于短路工作状态，能测量出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器的输出的电压与输入短路光电流成比例，并

”。有“

所以在实际的电路设计的时候，一方面需要选择相应的电机插件，同时也需要对光电信号的特点进行考虑，这样才能够设计出符合要求的低噪声光电检测电路。

与、及f有关，电阻是主要的热噪源，在不变时，减少f和的值可有效减少热噪声。这样如果在室温之下，那么对于30KΩ的电阻来说，其电路的放大倍数如果为1，那么其输出的热噪声将为电压的有效值，其在电路同频带的时候，那么会有

”和“”，在这种形态之下，对nw级进行测“

量是非常困难的。除此之外，电路的噪声还涉及到散粒噪声、总噪声电流均方值、外部噪声和放大电路的噪声等，需要充分的对电路当中的各种噪声的相关关系进行分析，才能够更好的对光电检测的电路信噪比进行计算和了解，以便于更好的对光电检测电路的器件参数进行修改，进而使其更好的满足相关设计的需求。

2.2 电路参数的选择

在无偏压的情况下，将光电二极管选择为“UV-040B”型号

,，噪声电流的硅光电二极管。其结面积为

，，在保证要求的情况下选择和较

大的光电二极管，提高信噪比。采用非常低噪声的运算放大器（OPA725）进行运算，这种运算具有较好的低偏置电流，具有良好的低漂移特性。在室温下，如果输入噪声的电压密度为“”，那么输入噪声的电流密度为“”。

同时选择反馈金属电阻（为），反馈电容选择云母电

已知温容，C1、C2、C3、C4、C5大小与检测光信号的频率有关，

度变化范围为，T为300K，，，由可知，当入射光的功率为的时候，那么就能够将其输出的信号电压算出来，这等效的噪声电压也可以计算出来，进而计算出信噪比，其会随着p的增加而增加。

为了确保光电二极管探测器在对输出电压进行探测的时候，更好地满足模数转换器的要求，其输出电压的范围应该设置为0~5V，而实际当中，需要首先对光电信号最大功率进行（上接72页）

3 结语

本研究主要就光电二极管检测电路噪声的相关情况进行分析，

同时就，基于光电二极管检测电路的噪声电路设计进行研究，笔者认为，需要合理地选择相关的电路插件，充分的考虑光电信号的特点，以此来设计出符合降低噪声光电检测的线路是十分必要的，因此需要研究人员不断的努力探索，并在工作中做到认真负责。

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大学学报(自然科学）

3.2 教学内容应体现教育理念和时代要求

优秀的开放教育资源所包含的教学内容应体现现代教育理念和时代要求，结合经济和社会的发展，始终保持先进性，对于本学科领域内的最新研究成果能够及时反映和吸收。这就要求开放课程或精品课的主讲教师必须经常从事科研活动、进行学术研究，拓宽知识面，掌握学科领域前沿动态，最好能够吸纳其他相关学科专家成立建设小组，体现课程之间的交叉性。

3.3 网络教学资源设计与开发的原则

教学过程中教学设计是非常重要的,是对教学的整体规划,运用系统的方法分析教学中存在的问题,从而确定教学目标。对网络教学来说,学习主要以个别化学习为主,因此要注重网路教学资源的设计与开发。网络教学资源设计以系统方法为基础,通过分析教学内容与教学目标,设计适应一定情景的教学资源开发模型,为学习者通过网络教学资源进行远程学习提供有效的学习方式。网络教学资源设计与开发要遵循一定的原理。美国著名的教育家泰勒总结了课程与教学开发的过程,提出了著名的泰勒模型即先确定教学目标、选择学习经验、组织学习经验、评价学习结果。泰勒模型是从确立教学目标、选择学习经验等方面论述了课程设计与开发的过程。我们从程序上来看,虽然这一模型是线性的,但构建出来的学习情境可以是多元的。

开放教育资源的后期服务必须要充分了解学习者和研究学习者心理，改进教学质量，提供相关的学习资源，通过全方位的优质服务，培养学习者的“忠诚度”。通过建设者与学习者的沟通交流，及时有效的解决学习者在学习中遇到的问题，保持和提高学习者的学习兴趣。就当前技术水平而言，资源提供者和课程建设者完全可以通过论坛、博客、微博、各种文件共享平台来保持资源的更新并与学习者保持交流。通过与学习者的交流，教学相长、交换学习心得、发表自己的观点、记录学习足迹，双方都能够从中获益。

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3.4 资源更新及后期服务

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