光电技术电路设计

光电技术电路设计（共12篇）

光电技术电路设计 篇1

摘要：设计了一种基于光电传感技术的物体检测系统, 采用红外发光二极管和红外光电三极管的方式, 进行传感电路设计。使用单片机NUC130LE3CN进行发光强度的控制与接收端电平的检测, 发光强度由单片机IO口输出PWM波形进行控制。利用发光强度可调节这一特性, 该方案可在不同环境光强下达到较高的检测灵敏度, 同时还可提供报错功能。

关键词：单片机,PWM,光电传感,检测系统

光电传感器一般由光发射、接收和检测电路3部分组成。光发射部分可以是特定波长的发光器或普通发光二极管;接收部分是光传感技术的中间环节, 主要负责光电转换, 将光信号转换为电信号以便进一步处理;检测电路则主要是进行电信号的处理, 最终分析出有用信号[1,2]。

在控制和检测系统中, 光电传感技术被大量的用于检测物体有无或物体定位, 例如自动化设备中机械运动的位置检测, 流水线上的物体通过检测等[3]。针对物体检测这一问题, 较流行的解决方案有3种:最普遍的方法是设计光电发射管和接收管硬件电路, 结合实际应用环境, 设计不同的电路方案, 达到不同的检测需求, 其设计灵活, 成本低, 但性能一般;第二种是使用具有一定集成度的传感器部件, 此类部件主要有对射式和反射式两种, 且集成了驱动电路与检测电路, 只需提供合适的电源, 便可获得检测结果, 其成本较低使用方便, 但性能一般;另一类是在发射部分或接收部分引入光栅、光纤或激光等技术, 达到特定效果的光学传感器, 该类传感器通常在检测精度、检测距离、检测速度或检测范围等方面均具有较高水平, 但由于其成本过高, 仅被应用于对检测有特殊要求的环境下。

本文基于第一种方案, 采用红外发光二极管和红外光电三极管相结合的方式, 并在发射部分设计了特殊的控制电路, 提高了检测性能。此物体检测系统使用的检测方案灵活易用, 制作成本低, 配合现有的单片机技术, 适合于小体积物体检测且对检测性能有较高要求的应用场合, 其均具有较高地实用价值。

1 系统整体设计

设计的物体检测系统用于进行小型物体检测, 所需完成的功能为:外界给检测系统一个特定信号, 检测系统开始工作, 最终检测是否有物体通过检测区域。其检测流程如图1所示。

单片机在获得外界的一个“开始检测”信号后, 首先针对工作环境调整发光管的发光强度, 将发光强度调整到能使接收管接收到光信号的最小强度, 若调整成功, 记录此时的发光强度, 并开始检测。若调整失败, 返回“异常”信号。出现“异常”情况, 需对检测部位进行查看, 若引起异常的原因是粉尘或异物遮挡, 进行擦除后便可重新检测, 若擦除无效则需更换传感部件。

开始检测后, 根据具体检测结果, 可能返回两种信号, 一种是“未检测到”信号, 另一种是“检测到”信号。在设定时间内若有物体经过该区域, 则返回“检测到”信号, 否则返回“未检测到”信号。根据该检测系统返回的两种信号, 检测结果将用不同的LED灯进行指示。

2 电路设计与分析

硬件电路主要包括发射部分和接收部分, 如图2所示。发射部分主要由5个元件组成, 其中的红外发光二极管D1中心波长约为900 nm, 其主要由PNP型三极管的集电极电流驱动。单片机控制的PWM波输入到R1的一侧, 经电容C1稳压滤波后, 在三极管基极上形成与占空比有关的直流电压。三极管基极电流同样随占空比变化而变化, 且成正比关系

其中, Ic为集电极电流;Ib为基极电流;d为占空比。

R1为22 kΩ, 其作用是限制三极管基极电流不至于过大, 保证三极管工作在放大状态。三极管在放大状态下集电极电流与基极电流成比例, 从而可通过改变占空比来调节发光二极管的电流。

接收部分使用的是光电三极管, 波长与发射管相匹配。光电三极管接收的光越强, 基极的光生电流越大。由图2可知, 三极管集电极接5 V电压, 当基极的光生电流增大时, 集电极电流也随之增大, 集电极电压越高, 输入到芯片引脚PA.15上的电压则越高。根据文献[4], 当NUC130LE3CN芯片IO口输入电压为TTL电平输入时, 低电平输入范围在-0.3~0.8 V, 高电平输入范围在2 V~Vdd+0.2 V。发射管在不同的发光强度下, 芯片IO口会有不同的输入电平, 或当有物体遮挡发射管时, IO口输入为低电平。

3 软件设计

系统中, NUC130LE3CN单片机使用的开发环境为MDK集成开发环境, 编程语言为C语言。单片机软件主要包括初始化、电平检测、传感器测试、物体检测等多个部分[5,6,7,8,9,10]。

在接收到外界的一个“开始检测”信号后, 单片机首先进行传感器初始化, 主要是PWM模块的初始化, 函数名为ini_sensor () , 无参数无返回值。将电平检测打包为函数result () , 返回值为int型, 根据光电三极管输入到单片机IO口上的状态, 可能检测返回的结果为“0”或“1”, 分别代表低电平和高电平。传感器测试函数为sensor_test () 。

根据该函数可测试传感器是否正常, 若函数最终返回值为0, 则代表传感器异常, 单片机发出对应信号。否则, 返回当前环境下, 接收管能输出高电平的最小占空比。

若传感器测试函数返回正常, 则开始执行检测函数detect () , 检测函数流程如下:

在执行检测函数前, 打开计时器, 当计时器到时后, 全局变量time清零, 若在time清零之前函数未检测到低电平, 则认为超时, 返回“0”, 否则检测到, 将返回“1”。最终通过检测函数返回值, 确定返回“超时”信号或“检测到”信号。

4 性能测试

针对本次设计的检测系统, 将设备中光电检测部分与传统光电检测方式进行对比试验, 分为测试组和对比组。测试在不同条件下, 两组检测设备的物体检测准确度的优劣, 测试方法与过程如下:

实际检测区域为10 mm×10 mm大小的平面, 物体会从距离该平面垂直高度30 cm的上空落下并通过该检测平面, 定义“每次物体通过并检测”为一次实验, 每次实验的测试结果会出现正确和错误两种结果。一组试验包括1 000次连续实验, 将测试组和对比组在4种环境光强下进行多组对比试验, 测试过程为:测试人员按下“开始检测”按钮, 检测系统开始检测且物体落下, 检测结果若返回检测到, 则记一次正确;若返回超时, 则记一次错误。最终的测试结果如表1~表3所示。

针对3种不同环境光强下, 测试组和对比组各做3组 (3 000次) 测试, 测试结果如表中所示。3种环境下, 测试组的性能均高于对比组, 且在强光下, 由于传统光电检测方式无法进行光强调整, 导致光强过强, 灵敏度下降, 并多次出现漏检。

由实验数据可得出, 使用本次设计的物体检测系统, 针对直径为5 mm的不透明小球, 可得到较好地检测效果, 并在不同环境光下, 检测的正确率远高于传统光电开关方式的检测性能。

5 结束语

所设计的系统通过简单的外围电路, 在软件上使用PWM波形的占空比控制发射管发光强度, 利用这种方式, 使系统每次检测前均可获得最佳的发光强度, 保证了灵敏度, 且加上传感器错误检测, 从而提高了系统可靠性。实际使用中, 与传统光电开关相比, 其可靠性与灵敏度均大幅提高, 在恶劣的照度环境下, 对于直径5 mm的小球体, 传统光电开关漏检率接近10%, 而使用所涉及的系统则≤1%。该系统最大的优点是使用低成本实现高性能的物体通过检测, 且具有较高地实用性。此外, 系统还可进行扩展延伸, 因此适应更多的实际应用场合。

所长徐建平中国电子科技集团公司第十研究所 (以下简称十所) 1955年成立于北京, 1957年迀址成都, 是新中国成立后组建的第一个综合性电子技术研究所、国家一类科研事业单位, 具备武器装备生产一级保密资格。全所占地面积1000余亩, 员工2300余人, 年产值20多亿元。十所共获得国家、省、部级科技成果奖287‘责, 其中:国家发明奖1项;国家科技进步特等奖8项, 一等奖4项:项, 学大会重大成果奖9项。获翻家质量金jj纖十所还荣获"全国五-劳动

参考文献

[1]ADEL S, KENNETH S.Microelectronic circuits[M].Oxford UK:Oxford University Press, 2007.

[2]江晓军.光电传感与检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[3]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[4]新塘科技.NuMicro Family NUC130规格书[M].台湾:新塘科技股份有限公司, 2011.

[5]颜晓河, 董玲娇, 苏绍兴.光电传感器的发展及其应用[J].电子工业专用设备, 2006 (1) :59-62.

[6]翁卓, 熊承义, 李丹婷.基于光电传感器的智能车控制系统设计[J].计算机测量与控制, 2010, 18 (8) :1789-1791.

[7]谢望.光电传感器技术的新发展及应用[J].仪器仪表用户, 2005, 12 (5) :1-2.

[8]葛鹏飞, 郑建立, 柳翔飞.基于光电传感器的智能车寻迹方法研究[J].国外电子测量技术, 2007, 26 (8) :40-42.

[9]张先富, 苏丽秋, 赵明富.智能光电传感器的原理与应用[J].磁性材料及器件, 2009, 40 (2) :54-56.

[10]蔡公华, 洪乃刚.一种智能车寻迹算法的研究[J].电子科技, 2009, 22 (6) :10-13.所长徐建平

光电技术电路设计 篇2

光电信息技术以其极快的响应速度、极宽的频宽、极大的信息容量以及极高的信息效率和分辨率推动着现代信息技术的发展，从而使光电信息产业在市场的份额逐年增加。在技术发达国家，与光电信息技术相关产业的产值已占国民经济总产值的一半以上，从业人员逐年增多，竞争力也越来越强。

在信息科技领域，电子学在20世纪做出了巨大的贡献，但由于其信息属性的局限性，使其无论在速度、容量还是在空间相容性上都受到很大限制。而光是生命的源泉，它为人类提供青山绿水的生活环境和丰富的衣食住行的资源，并使我们目睹五彩缤纷的世界。因此，光(光学)是人们获取信息的最基本的和最有效的手段之一，以光子或光波作为信息载体的光电信息技术则表现出巨大的发展潜力和明显的优越性。如在信息处理速度上，电子器件的响应时间最快也只能达到1011s，而光子器件则可达到1013～1015s，比电子器件快了103～104倍。并且，光子在通常情况下互不干涉，具有并行处理信息的能力，在光计算中可大幅度提高信息的处理速度。此外，在存储能力、传播速度、抗干扰能力等很多方面，光子器件弥补了电子器件的很多不足。尤其光电信息技术在高技术战争中扮演着十分重要的角色，如在预警、监视、侦察、观察、瞄准、通信、精确打击、作战效果评估、电子对抗等方面都发挥了极其重要的作用，使作战方式、部队编制和后勤供应都发生了重大变化。因此，光电信息技术不仅全面继承与兼容电子技术，而且具有微电子无法比拟的优越性能与更广阔的应用范围，从而成为人类进入信息时代的具有巨大冲击力的高新技术。

光电信息技术是由光学、光电子、微电子、微计算机、微材料等科学技术相结合而成的多学科综合的高新技术，涉及光信息的辐射、探测、变换、传输、处理、存储与显示等众多的内容。它以极快的响应速度、极宽的频宽、极大的信息容量、极高的存储密度、极快的处理速度、极高的信息效率和分辨率，以及微型化、集成化等特点，推动着现代信息技术的发展，以适应现代信息社会以Tbit/s(1 Tbit/s = 1012 bit/s)为起点呈现超越摩尔定律的爆炸性增长的信息量的要求，从而使光电信息产业在市场的份额逐年增加。在发达国家，与光电信息技术相关产业的产值已占国民经济总产值的一半以上，对从业人员和人才的需求逐年增多，竞争力也越来越强。为适应现代信息技术的发展，迫切需要培养一大批掌握光电信息技术的专门人才，也迫切需要普及光电信息技术方面的基础知识，虽然不少高等学校相继增设了光电信息类专业或院系，但现行出版的光电信息技术或光电技术等教材的信息流程的内容不全、不新，而不能满足目前光电信息方面人才的需求。基于这样的形势，作者为满足新增光电信息类专业的教学需求，在参考国内外有关文献资料与书籍，并借鉴以前所编教材《光电技术》、《光电检测技术》、《光电检测技术习题与实验》及《光电信息实用技术》经验的基础上编写了本教材。

打造光电科技的技术高地 篇3

创业应该是想去做某件事情的暴发点

“为什么创业？我认为就创业者而言应该有两种：一种可能是对现状不满，对生活方式，对自我价值的实现不满；还有一种可能就是一时的冲动，如他的梦想、他的个性以及各方面的意识使他行动起来。我可能属于后一者多一点，对当时的现状确实有一点不满，但还不至于让我可以毅然地放弃那份职业。”

“促使我出来创业的也许就是所谓的创业梦想吧。以前看那些百年老字号、几十年卧薪尝胆的故事，总觉得自己花个10年20年做事情也应该差不多，应该不会太差，在这种想法的驱使下就出来了。”虽然曾总在谈到自己为什么会创业时语气有一些调侃，但是更多的是一份坚定。因为就如他自己所说的那样：“创业的人，没有几个会是考虑得很周全的人。也可能是被逼的，也可能对现状不满的，不管是什么样的人，我觉得都是有冲动的，当一个人的梦想遇上了冲动，于是他就创业了。”

确实，创业不太可能一帆风顺，挫折也好，低潮也好，原地踏步也好，这些东西随时都可能发生。如果一个创业者在一开始就把这些所有因素全部考虑周全了，那么他接下来就是打退堂鼓了。所谓的“明知山有虎偏向虎山行”，也不过是武松醉酒后的一时冲动而已。

“我当时想了两点：如果我35岁开始创业，花10年20年做一件事情，就算我没挣钱，但我不至于饿死，而且我这件事情可能会做成，觉得可能会有点意思；但假如说我继续留在单位，依旧是过着朝令夕改的日子，一直混到退休，完了。那个时候年轻啊，有使不完的劲，每每想到这里总觉得不能这么混下去。创业的人想得比较简单，我认为创业的人都是有激情冲动的。有些人是因为抓住了某些商机，一下子就起来了，我不觉得这算创业；还有些人就是把自己以前的基础完全挪过来，我认为那也不叫创业，不过是换一个做法而已。我认为创业应该是想去做某件事情的暴发点。”

做高端市场的“垄断者”

“我们申请了创业基金的那个项目，是我们最引以为豪的。那是一种传感器，当时只有国外有，国内的企业买不到，因为国外不单卖这样的传感器，非要整机一起卖。后来国内的企业找了很多研究所开发这个传感器，弄了两三年也没有弄出来。一个偶然的机会他们问我们能不能做，我说可以啊，不过我们不是研究所，也不是大学，我们是做企业的，我可以不要你一分钱的开发费用，但是如果我做出来的产品达到了要求，那么以后就由我向你供货。这个东西其实是有难度的，倒不是说我们比那些研究所、大学要高明多少，其实就理论水平来说，我们不如他们，只不过是多了一些实践的经验而已。后来我们还真做出来了。这个传感器在国内的市场容量很小，但是现在我们已经做到了100%的市场占有率，因为国内就我们一家在做这个产品；而且在我们的产品出来之前，国外的整机大概是卖100多万元，等我们的产品出来后就降到了70万元、80万元，反倒是给那些使用我们产品的国内配套商提升了不少的利润空间。”

中川光电的产品定位是高端的传感器还有检测仪器。他们只做高端，因为曾祥忠认为低端市场虽然容量大、技术门槛低，但是资金要求太高了，对于创业企业来说不适合去做。反而高端的产品技术含量高所以技术门槛也高，虽然市场容量小，但是资金门槛却很低，很适合让中川这样的科技型中小企业进入。

曾祥忠说他之所以会做传感器，是因为他是从纺织行业做起来的，而且越做越喜欢这个行业。虽然这个行业普遍效益不好，但是曾却有他的理由：“首先，这个行业市场化程度特别高，中国的纺织行业就是世界的纺织行业。我们是给纺织机械做配套设备的，这里有个优点就是只要我的东西好，就肯定能够卖得出去，而且销售成本很低。只要能够给厂家提供价廉物美的、提高质量的产品，他就觉得有用就好了。这个特点能够大大降低我们的交易成本。其次，纺织行业他对新技术的要求很高，因为他市场化程度高，所以竞争激烈，他就是看谁推出的新产品用的技术好，就容易卖上价。第三，这个行业对产品质量要求很高，因为他的设备基本上是24小时运转，全是靠时间靠产量来赚钱，机器一停就不赚钱了，那么保证机器能够不停运转的就是配件的质量。”最后曾总谦虚地笑着说：“我们自认为在纺织行业做得不算特别好，但是还算成功，因为我们的产品在这个行业应用得很广。”

就像前面那个传感器一样，一个小小的传感器，因为技术含量的问题，而让中川得以垄断国内的市场；虽然这只是一个小小的配件，但是它却能让那些国内的配套商得到丰厚的利润，也能让使用整套设备的企业主们节约20万元以上的成本。

一个阶段一个阶段的做事

曾祥忠一直信奉这样一句话：“在什么阶段做什么阶段的事，不要想得太远，否则就会眼高手低。”中川在2001～2003这3年是创业阶段，怎么活下去是这个阶段最该去想的事情；2004～2006年，中川考虑的是怎么样去把业务做好，怎么样把企业逐步地发展起来；而从2007年到2009年这个阶段，中川的任务是：产值要更上一层楼，业务更加明确化，即高端的传感器和检测仪器，加强品牌建设。在这个阶段，曾祥忠提出“小公司当大公司来办。大公司怎么处理质量问题我们也怎么处理，大公司怎么给人承诺给人服务的我们照做，包括我们的公司形象、商标设计等等，在全公司树立品牌意识。”

认清自己的现状，脚踏实地一步一个脚印地前进，一个阶段做一个阶段的事情，不好高骛远，这也许就是中川能走到今天最大的诀窍吧。

点评

选择一条适合自己的路

光电技术电路设计 篇4

软包装 (Flexible Package) 是指在充填或取出内装物之后, 容器形状可发生变化的包装方式, 用纸、铝箔、纤维、塑料薄膜以及它们的复合物所制成的各种袋、盒、套、包封等均为软包装。它具有质量轻、废料少、成本低等优点, 因此广泛应用在医药、纺织品、食品工业上。随着我国工农业的快速发展, 软包装的地位正日益提高[1]。在软包装生产中, 分切是一道非常重要的工序, 它实现了由半成品到产品的加工[2]。分切机是一种将宽幅薄膜或纸张分切成多条窄幅材料的机械设备, 广泛用于印刷及造纸、软包装等行业[3]。分切机的结构总体分为放卷、驱动和收卷3大功能结构, 其简易示意图如图1所示。

目前分切台对产品质量的控制普遍停留在表面的控制上, 以减少启皱、纵皱、横皱、线皱、毛边等问题为主, 而对于产品端面的质量关注较少, 技术手段较为有限。对于端面质量的控制往往采用对分切速度、张/压力等参数的调整与控制上, 切刀的角度调整, 而机器的运行状况十分复杂, 和很多个参数都有关系, 比如机床的抖动、母带的不平整等。在实际加工中, 获得一个最优的参数需要一个很长的适应过程。然而随着现代企业对包装材料的要求越来越高, 提高分切机的性能, 降低生产成本, 缩短交货时间对提高包装印刷企业的经济效益很有必要。

本次研究主旨在于提高分切的断面质量, 以光电检测技术作为支撑, 设计出高精度、实时性的光电检测系统作为传感机构;基于PLC控制与伺服电机控制, 对圆盘切刀进行实时角度调整闭环的控制系统。基于圆盘切刀分切原理, 使用伺服驱动的可转动圆刀进行过程控制, 采用灵敏的光电检测系统对带材及圆盘切刀角度进行实时检测, 将检测的结果传送到控制系统, 实现对圆盘切刀的实时调整闭环系统。实践表明, 本次设计的系统具有测量精度高、反应速度快, 圆盘切刀角度转动角度精确等优点, 故能大幅提高产品质量, 降低分切的成本, 缩短交货时间, 对设计高性能、高自动化与高柔性分切机的有很大的借鉴意义。

1 圆盘切刀分切技术

常用的分切刀具主要分为以下几种: (1) 刀槽式刀片分切是使刀片伸进带槽辊的槽内分切, 分切时稳定好, 不过精度难以控制; (2) 悬空式刀片分切是刀片直接在拉伸的膜上分切, 分切宽度易调整, 可任意分切宽度, 但对原料的平整度要求较高; (3) 圆盘分切刀片[4], 圆盘分切刀分为上刀、下刀, 装在分切机刀轴上, 利用滚剪原理来分切厚度为0.01~0.1 mm成卷的各种电容器纸、铝箔、金属化薄膜、电影胶片、计算机带及磁带[5]。圆盘切刀是一种可以替代平压切式模切刀的高效率、高精度刀具, 最早应用于烟包印后加工领域[6]。由于圆盘具有刃口坚韧、使用寿命长、高分切效率和精度, 广泛应用于造纸、印刷与软包装行业, 具有不可替代的地位。

虽然圆盘切刀具有上述很大优点, 但要满足现代高精度、高效率以及高稳定性的现代化分切要求, 圆盘形切刀也存在一些严重不足: (1) 当分切规格变化大时, 确定切刀位置麻烦, 需要长时间的适切; (2) 由于切材、机床振动等一些不稳定性因素, 圆盘切刀与切材的相对角度会有一定程度的变化, 普通机床无法实现自动调整。虽然切角偏差很小, 但由于进给长度大, 累积误差也不可忽视, 实际加工数据显示:当切角偏差10-2rad, 每卷的分切长度为100 m, 累积误差为1 m。市场调查显示:对于一条年产万吨级的聚酯薄膜来说, 如果分切优等品率提高40%, 可产生直接收益200万元;每卷减少1米跑偏, 就可以减少约0.5吨损耗, 减少约5.4万元损失。从某种程度上来说, “好产品是切出来的”。

2 光电检测技术

光电检测技术在机械结构设计上多用于位置、角度以及平面检测, 其特点是可以实现无接触、微细检测, 因而可以将微小机械动态检测变成观点静态检测, 从而很大程度上简化机械结构[7]。光电检测技术具有高精度、高灵敏度、成本低和可靠性高等明显特点, 具体表现如下:最高的检测精度可达0.05μm/m;反应速度达到光速, 为现代最快的检测手段之一;许多光电检测设备均采用自适应调整装置, 具有较强的抗干扰性;然而该技术对硬件设备和软件设备要求也较高。因此将光电检测技术应用到圆盘分切技术中, 能够较好地弥补圆盘切刀在实际加工中的不足。

2.1 光电检测原理

光电检测装置主要应用光电传感效应原理, 将输入光信号转换为电信号输出[8]。它主要由光源S、透镜组C、光电池B以及检测器A等组成, 其检测原理示意图如图2所示, 光源S发出高频光信号, 将圆盘切刀E的端面置于光路中, 光信号通过透镜组C汇聚到光电池B, 检测器A检测光电池B的接收光信号转化成的电信号, 经选频放大带通滤波及信号精密整流电路, 最后输出稳定的电压信号。

2.2 光电检测装置

本次研究的光电检测装置, 主要根据图2的光电检测原理, 实际的光电检测装置如图3所示。该装置相当于由两套图2的装置构成。在实际操作中, 首先需要对光安装, 即根据检测器 (A1、A2) 的电信号, 安装圆盘切刀的参考位置;其次, 切除带材过程中, 将圆盘切刀E由于受到带材D切除阻力、机床振动等干扰因素, 会发生微小量 (10-1rad) 的角度偏离, 则进入透镜组 (C1、C2) 的光通量就会改变, 输出的电压信号也会发生变化, 并将两个检测器 (A1、A2) 的电信号实时传送给控制系统;最后, 控制系统根据两个检测器 (A1、A2) 电信号的变化, 实时控制角度调整系统, 微调圆盘切刀的端面角度, 使圆盘切刀E的两个端面分别与光线1和光线2平行, 最终使得两个检测器 (A1、A2) 的电信号均达到最大。实验结果显示, 本次研究中的光电检测装置对圆盘切刀角度的检测精度为10-2rad。

3 角度实时调整系统

精密的角度实时调整系统集成光电检测技术、精密机械技术、现代控制技术以及现代数值计算理论于一体, 可对二维及三维运动目标进行检测并实时测量空间坐标, 具有高精度、实时性、动态监测和高稳定性等优点, 广泛应用于汽车、船舶、核工业以及航空航天等精密机械制造领域[9,10]。本次研究设计的角度实时调整系统, 采用伺服电机与PLC控制精密的角度调整机械装置, 包括伺服电机、PLC控制系统、角度测量系统、角度驱动系统和角度调整机械控制模块。实验结果显示, 本次设计的角度实时调整系统的校正精度高达±2×10-1rad, 系统调节滞后仅为0.1 s。

3.1 角度实时调整控制系统

本次设计的角度调整控制系统采用PLC控制结合伺服控制技术, 实现对角度实时调整系统精确的控制。PLC控制具有实时性、高可靠性、高性价比及使用维修方便, 广泛应用于各种工业控制场合[11]。伺服电机系统 (servo motor system) 一般由伺服电机及其专用驱动器系统组成, 具有线性度高、控制精度高、响应速度快、稳定性好和抗干扰能力强等优点。伺服电机是伺服系统中控制机械元件运转的发动机, 其控制精度由伺服电机后端的旋转编码器保证。本次研究将上述二者的结合起来, 优势互补, 伺服电机与专用驱动器配套使用时, 控制器 (PLC) 向伺服电机驱动器提供相应的控制脉冲, 调整脉冲频率和伺服电机转向的控制信号即可实现控制器 (PLC) 对伺服系统进行精确的控制, 这种结合控制方式很大程度上逐渐取代其他的控制方式。

角度调整控制系统包含显示电路、电源电路、单片机控制系统、驱动电路、角度检测电路和机械控制模块等, 如图4所示。闭环系统控制流程如下:

(1) 角度检测电路监测圆盘切刀的相对角度, 将光信号转化为电信号, 并端面偏差值传输给PLC控制系统;

(2) 根据光线1和光线2的信号差, 通过一定的数值计算、变换算法, 将PWM驱动信号传给驱动电机;

(3) 驱动电机控制角度调整组件, 给出相应的控制方式, 通过机械控制模块进行实时调整圆盘切刀的角度。

如此循环步骤 (1) ~ (3) , 实时性、闭环调整圆盘切刀与切材的相对角度。由于单片机系统是一个数字系统, 其控制信号的变换不易受外界干扰, 整个系统工作可靠, 从而利用单片机控制系统能精确地实现对PWM波占空比的调整, 达到对角度的精确调整。

3.2 角度实时调整机械控制模块

机械控制模块为角度实时调整系统的执行机构, 该模块的控制精度直接影响圆盘切刀与切材的相对角度精度。机械控制模块包括:伺服电机、联轴器和角度调整模块, 如图5所示。PLC给出的PWM信号控制伺服电机, 伺服电机通过柔性联轴器与柔性的调整原件连接, 其中的柔性调整原件的材料采用橡胶, 其目的是为了减少调整过程中, 圆盘切刀与轴肩的冲击。与此同时电机驱动角度调整组件, 根据PLC给出的调整信号, 通过弹簧伸缩, 控制压块运动转化为相应圆盘切刀的运动, 调整圆盘切刀与切材的相对角度, 从而保证圆盘切刀切出来的材料具有高端面质量。

4 结论

本次研究设计, 基于光电检测原理, 设计出高精度、实时性的圆盘切刀端面与切材相对角度的检测系统, 检测精度高达10-2rad;在此基础上, 设计了角度实时闭环调整系统, 该系统控制原理由PLC控制与伺服电机控制相结合, PLC的实时性保证了该系统的高灵敏性, 闭环调整系统保证高精度调节, 再结合弹簧压块调节, 整个系统能够满足现代分切技术的要求。本次设计的角度实时闭环调整系统在新望XW-221C全自动分条机上得到应用, 在全速生产时, 调节精度精度可达±2×10-1rad, 实际生产效果达到了预期希望, 对其他分切技术具有较大的借鉴价值。

摘要：圆盘切刀广泛应用于造纸、印刷以及软包装等领域, 具有刃口坚韧、使用寿命长、分切效率较高等优点。然而为了满足现代分切技术中的高精度、高分切端面质量要求, 实时调整圆盘切刀与切材的相对角度是一种非常有效的手段。研究设计出一套高精度的角度实时调整系统, 基于光电检测原理, 设计出圆盘角度检测系统作为整个系统的传感机构;控制原理由PLC控制与伺服电机控制相结合, 并且采用闭环控制, 具有精度高、灵敏性好以及可靠性高等优点。设计的角度实时闭环调整系统在新望XW-221C全自动分条机上得到应用, 在全速生产时, 调节精度精度可达±2×10-2rad, 实际生产效果达到了预期希望, 对其他分切技术也具有较大的借鉴价值。

关键词：圆盘切刀,光电检测技术,角度调整,PLC,伺服电机

参考文献

[1]赵延伟.软塑包装发展现状及加入WTO后面临的形式[J].中国包装工业, 2005 (07) :11-14.

[2]尹章伟, 毛中彦.包装机械[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[3]李志鹏, 李兴根.分切机上位机控制系统的设计[J].轻工机械, 2006, 24 (3) :90-93.

[4]金国斌, 张华良.包装工艺技术与设备[M].北京:中国轻工业出版社, 2009.

[5]焦志贤.圆盘分切刀[J].机械制造, 1994 (11) :19-21.

[6]蔡玉明.互感器铁心片裁剪工艺的改进及切刀式冲模设计[J].机械设计与制造, 2003, 29 (2) :60-62.

[7]蔡吉飞, 赵鸿宾, 张祖明.光电检测技术在机械设计制造中的应用[J].机械设计与制造, 1999 (1) :56-57.

[8]姜衍仓, 田芳勇.光电编码器在非圆齿轮滚齿加工自动对刀中的应用[J].机械设计与制造, 2003 (2) :167-168.

[9]田学光, 田兴志, 刘轩, 等.大型精密转台高精度角度微驱动装置的研制[J].光学精密工程, 2010, 18 (5) :1112-1118.

[10]刘万里, 曲兴华, 欧阳健飞, 等.激光跟踪测量系统角度自动校正装置设计[J].光学精密工程, 2008, 16 (9) :1695-1700.

光电子课程设计作业 篇5

1.光敏电阻检测光照亮度

2.基于PSD 的位置测量系统

3.基于PSD位置传感器的杨氏模量测量

4.基于单片机的条纹计数器

 要求：

 在A4的纸上画满黑白相间的条纹，条纹宽度1CM，实现对黑白条纹的计数。

5.基于光电倍增管的弱光检测

6.基于单片机的热电偶测温系统

7.光电转速计设计

8.智能光电定时器设计

设计要求：

1.封面采用统一格式（研究生学院下载）

2.标题 宋+4号，黑体；正文 宋+小4；参考文献 宋+5号。

3.格式：标题、作者、中文摘要、关键词、英文标题、英文摘要、正文、参考文献。

说明：

1.每位同学任选一题。

2.要求尽量完成硬件

3.作业要求交纸质版、电子版和作品，电子版用姓名作为文件名。

光电显示技术　迎来新视觉时代 篇6

一、3D影像显示，生活娱乐更丰富

过去数年好莱坞不断推出3D电影，更预计未来每年都有十部以上的3D电影上映，显见3D影像显示技术已有长足的进步，同时更加深人们对于突破2D平面显示，迈向3D影像生活的可能与需求。3D影像显示不仅更符合人类视觉，也带来更多互动与真实感，因此包括影音娱乐及游戏产业，都相当注重这块市场。而如何让消费者轻松舒适地观赏，就成为技术研发上的一大考验，例如能裸眼观看就是相当吸引人的因素。

1．3D画框与3D数字看板

“3D画框”与“3D数字看板”结合了裸眼式3D显示器与视讯播放器，也就是不需配戴特殊的眼镜，就能够观看到3D的画面。利用倾斜摆设的视差光栅技术，将影像做特殊的排列，使左右眼看到不同的影像，而产生3D立体的显示。

目前在高解析的“3D画框”上，已可达到四倍的Full HD屏幕分辨率，高达3，840×2，160，3D立体分辨率更可达1，280×720，画质更细致清晰，因此适合用在画展、博物馆导览、立体剧院等高分辨率水准要求的场合。而在分辨率较低的“3D数字看板”方面，则是强调影音串流处理的速度，并可达到1，920×1，080的屏幕分辨率，与640×360的3D分辨率，可用在电子看板、户外广告等多媒体视讯的播放，让呈现的影像内容更能吸“睛”。

2．快门眼镜立体3D显示器技术

想用一般的LCD显示器观看3D立体影像，“快门眼镜立体3D显示器技术”是个简便的方法——也就是利用时间差方式，透过配戴特殊设计的快门眼镜，对左右眼快速播送交错切换的画面，形成3D立体的影像。

“快门眼镜立体3D显示器技术”的关键，在于运用了动态背光模块设计及电控技术，消除动态残影，并搭配快门眼镜同步技术，使眼镜与影像同步，因而能产生正确且相当逼真清楚的影像；所见到的分辨率，即为全部的分辨率，可达1，680×1，050，且干扰少、成本低，没有视觉角度的限制。

3．2D转3D影像技术

目前推广3D影像显示的一大问题，在于3D内容不够充足，也因此较难促使消费者购置相关设备。但是利用“2D转3D影像技术”的软件运算，只要透过简单的步骤，就能将一般所拍摄的2D数字照片或影片，经由影像的分析与计算，转换成3D的影像内容，塑造层次感，供3D立体显示器播放；并可针对不同的内容类型，套用不同的算法。“2D转3D影像技术”的运算及转档过程，可以达到全自动化，减少人工编修的需要；以单张数字照片为例，仅约一分钟就能转换完成，并可以无线方式传输，方便快速观看。未来无论是用在立体数字相框、立体显示的手机或相机、虚拟窗户及立体画框等立体显示器上，都能节省不少时间，甚至可即拍即看，营造生活乐趣。

二、轻薄方便的软性显示器

无论是电视、计算机，或是手机、PDA、数字相框等，在现代生活里，很难想象没有显示器存在的日子，也说明了显示器做为获取信息与沟通的重要接口。不过就以当今主流的LCD液晶显示器来说，是采用玻璃材质为基板制造，加上背光模块等组件而成，虽然目前已使用得相当普遍，但其相对较大的体积与重量也是厂商与技术研发单位亟欲克服的问题。

因此，小巧轻便，方便携带、收纳与更换，且耗电量更低，分辨率更高，并能藉由材料与制程的改善设计，降低生产或设备转换的成本，同时增加市场应用的可能，成为光电技术研发的方向。

1．AMOLED可挠曲屏幕

“AMOLED可挠曲屏幕”主要是结合了透明的塑料PI基板取下技术，以及可挠曲硅晶薄膜晶体管技术，并整合有机发光二极管(OLED)显示介质，所开发而成的可挠性主动显示器背板，其特色在于其高影像显示、高反应速率，以及可自发光、耗电少，不需背光模块，重量与厚度也大幅减少，更不易破裂，因此适合播放多媒体影音动态内容，并应用在笔记本电脑、手机、PDA、GPS等可携式及手持装置上。

利用AMOLED的特性，还可为产品进行特殊的设计，例如将屏幕做成卷曲形，需要观看使用时再抽出使用，不仅可节省产品体积，并能维持显示的功能。另外，“AMOLED可挠曲屏幕”能立即与目前的产业制程衔接，以既有的设备，便能进行软性晶体管下板生产。

2．快速反应微流体显示器

提到印刷品，很多人就会联想到油墨；但是到了电子印刷品的阶段，能否还是使用油墨来完成显示?“快速反应微流体显示器”所使用的主要原料只有特殊处理过的油和水，当施加电压时，就会驱使透明的水来推动具有颜色的油，以呈现出不同的影像，更像是本电子书；不止结构简单、成本低廉，同时反射率较反射式的LCD高，与传统LCD显示器的制程兼容性也高，易于厂商转换承接。

“快速反应微流体显示器”因具有反应速度快的特性，适用于消费性电子产品。未来还可搭配喷墨式制程，将RGB三色的显色介质注入同一个面板中，达到彩色显示的功能，无需外加装彩色滤光片，并有机会能改良开发成为软性显示器。

三、LED迈向成熟，技术结合打造多元应用

当夏季来临、电价喊涨，大家都为用电一事苦恼时，改用较省电的电器用品或设备，是最直接有效的方法之一。以日常生活所需的照明来说，LED的应用就是一项颇具未来性的趋势。

LED具备耗电量少、发光效率高、寿命长等特性，因此也成为LCD背光源与照明的最佳来源。但事实上，LED在现今的消费市场中却迟迟未能得到广泛的应用。而随着节能减排概念愈加深化，相关技术愈为成熟，LED在家居与室内用途上，已有了更加实用与便利的发展：尤其是Ac LED技术的研发，能让一般灯具更方便地转换使用LED灯，而不需另行购置设备，也减少损坏更换的不便。

1．可挠曲AC LED照明光源

灯光照明的设备，一定都是硬柳梆的吗?作为照明用途，LED堪称是最具多样性的光源。相较于一般灯具仅有固定的外型或角度，缺少变化的灵活特质与弹性，“可挠曲AC LED照明光源”一方面运用了AC LED的技术，无需变压器就可进行操作，增添家用的方便性；同时还以薄型化的AC LED晶粒与单片式导光扩散板，加以薄膜封装技术制成，使其可以挠曲，并将整体封装厚度降至2mm以下，弯曲半径可小于5cm。

现代人对于居家或室内环境的自主性愈来愈高，都希望能有自我风格，“可挠曲AC LED照明光源”可以随家中摆饰或装潢造型进行弯曲贴合，或是配合灯具创意设计任意挠曲，让家中的照明可随环境需求适当地调整，营造出灯光情境与多样化的氛围，也能使灯具的样式更加多元，提供更多的应用。

2．自扩散型光导板／扩散板加工技术

发展LED应用时最常面临的问题之一，就是要克服其“点”光源的特性，使光线能更均匀地扩散，达到照明的效果。“自扩散型光导板／扩散板加工技术”是利用双相动态交联技术，将纳米级高扩散粒子混于透明的高分子材料中，再搭配精密加工射出技术，成为高扩散型导光材料。

运用光导板中的纳米扩散粒子，可将光线进行多向散射，使LED发出的光能均匀扩散到整个透明材质，形成“面”光源，达到“匀光”的效果，甚至可以RGB混光的方式，呈现出不同的颜色与情境。“自扩散型光导板／扩散板加工技术”能广泛应用在LED、面板、及光电相关产品上，包括家具、家电、灯具、装饰，或是3c用品、户外广告、指示看板、商品外壳等。例如与家具结合，就能成为可发光的桌、椅、柜等。

光电技术电路设计 篇7

步入2013年,穿戴式设备,智能手表市场方兴未艾,各种产品充斥着市场。但是,大多数产品都存在价格昂贵,实用性低的缺点。针对这种现象,我们提出一种基于蓝牙技术的低成本智能手表。

由于社会的发展,生活水平的提高,人们对自身的健康越来越重视,为了迎合消费者的保健意识,提高消费者的健康水平,我们在智能手表上,利用PPG技术,实时监控用户的脉搏。人们可以在手表上实时观看自己的脉搏,当脉搏异常时候,手表会发出报警,提醒用户,对用户的健康提供有力保障。

同时,我们在PC上开发配套软件,用户可以通过手表将脉搏数据传递到PC上,软件通过数据分析,评估用户的健康情况。用户可以通过软件的数据分析,及时调整自己的保健计划。

2系统的主要硬件部分

2.1系统框架(图1)

2.2蓝牙模块

蓝牙模块采用台湾创杰科技(ISSC)的IS1681SM,该模块是蓝牙3.0。在功耗方面,比蓝牙4.0差,但是在稳定性方面,比现在市场上大部分蓝牙4.0要好(蓝牙4.0与手机相连经常会出现断线情况,此外,暂时大部分手机没有蓝牙4.0)。另外,此芯片待机电流可低至2m A,满足便携式产品低功耗的要求。与蓝牙4.0相比,此芯片在价格上有绝对的优势。

2.3 PPG模块

光电容积脉搏波描记法(Photo--Plethysmo Graphy,PPG),是利用光束照射到活体组织表面,光束进入体内后通过反射或者透射的方式返回到光电传感器,通过信号处理得到了人体脉搏参数,具有无创性、便捷性、抗干扰能力强等特点。

传统的光电脉搏波描记方法分为透射式和反射式,测量时都是需要紧贴皮肤表面的,这给使用者带来不便。特别在冬天衣服厚重的情况下,测量者需要除去衣服,露出皮肤,测量脉搏波就显得更加困难

采用改进型PPG技术,利用红外反射光检测方式,通过差分放大器、滤波器、程控放大器后实现PPG信号采集,得到用户的实时脉搏信号。PPG模块流程如图2。

2.4主控MCU

本次系统采用的主控芯片是Silicon公司的Sim3U164芯片,该芯片是32位的Cortex-M3内核。芯片自带时钟管理,最高时钟为80M,满足高速运行;在休眠模式时可以将时钟调整到2.5M,满足便携式产品低功耗的要求。

此外,该芯片自带ADC、PWM、DAC、两路串口、两路SPI、RTC、中断管理、低功耗模式,完全满足蓝牙手表的设计要求。

利用该公司提供的App Builder软件,方便代码生成,提高了开发效率。Appbuilder是专为Openbiz Cubi平台而设计的元数据集成开发环境。具有交互性图形界面。它包含了两个功能强大且简单易用的生成向导以及直观的元数据编辑器。加入ucos II系统,使系统更加完善。

3系统工作流程图

图3为系统工作流程图。

手表只设置了两个按键,通过左键短按、右键短按、左键双击、右键双击、左键长按、右键长按、左右按键同时按下在各个模式间进行切换。正常模式下,OLED显示时间,电池电量,蓝牙是否连接,音乐是否播放还有音量值。在无任何操作(按键操作或者蓝牙返回指令)时间达到15s时,进入休眠模式。休眠模式下,只有串口接收到蓝牙数据和按键才可以唤醒MCU,唤醒后返回正常模式。此外,手表还有关机模式,设置模式,秒表模式,更新模式等。

4系统测试

图4是我们在测试板上测试整体系统架构的照片。

为了便于观察PPG模块工作情况,测试时我们将程控放大器的输出端接入数字示波器辅助观察。对直接紧贴皮肤检测后的滤波结果进行分析。如右图,是测试对象在紧贴皮肤,没有间隔衣服的情况下,测试手腕位置的脉搏波。可以看出脉搏波被清晰的描记出来。

4.1功耗分析

所有穿戴式产品都要面对一个关键问题——功耗,如何降低产品的功耗,是穿戴式产品能否取得成功的关键。

为了节省功耗,做了以下设计:(1)设置了睡眠模式,在睡眠模式下关闭处理串口外的其他外设,将OLED设置为休眠模式;(2)电机震动采用震动2s停止2s的方式间隔震动;(3)在手机没有播放音乐或者不需要语音报号时,关闭喇叭,在播放音乐或者语音报号时,才开启喇叭。

4.2关机模式下断开蓝牙供电

经过一年的努力,我们完成了最终的智能手表成品,手表基于蓝牙3.0与智能手机通信,实现电话接听、拨打、电话本同步、MP3等功能,并实现人体脉搏波信号的可穿戴设备监测,通过改进PPG探头,实现信号非接触检测,提高用户使用舒适度。

5结语

本课题自2014年5月正式开始,我们利用课余空闲时间,在课题计划的指导下,学习新知识,并将知识付诸于实践当中。

在不断的调试过程中,我们遇到许多不同种类的问题,屏幕无法显示,程序没有按照我们的预想进行;硬件知识不足够,无法制作出合适的滤波电路;器件意外烧毁,一次次的失败虽然打击我们,也给了我们战胜它的决心。

在和指导老师的不断沟通中,我们对我们遇到的问题进行了总结,和组员重新思考了整体程序结构,在这个过程中,既锻炼了我们的沟通能力,又让我们的专业技能得到了明显的提升,我们每个人也学会了如何从整体出发设计一个定制的应用系统。

从去年开始课题,除寒假中断了一段时间外,我们一起合作,共同克服困难,不断进步不断飞跃。进行至今,我们已经完成了生理监护蓝牙智能手表的整体设计,论文撰写,实物制作,调试通过。

参考文献

[1]Jean J.Labrosse著.《uC/OS-II-源码公开的实时嵌入式操作系统》.劭贝贝译.北京:中国电力出版社,2001.

[2]任哲.嵌入式实时操作系统uC/OS-II原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3]Joseph Yiu著.《Cortex-M3权威指南》.宋岩译.2008.

光电技术电路设计 篇8

全硅光电子回路具有抗干扰、速度快、频率高、集成度高、低成本、制造工艺先进等优点, 被认为是替代传统的先进硅基集成电路, 解决电子设备向低成本、高频率、高集成度等这些技术瓶颈的关键。其中、光电探测器又是全硅光电子回路的重要组成部分。硅光电二极管作为光电探测器的关键部件, 其质量的高低对全硅光电子回路整个系统的光电性能具有至关重要的影响。最近一些年来, 许多的科技人员对Si基光电探测器做了大量的工作, 研制了一系列有价值的硅光电探测器[1,2,3,4], 如CMOS集成的PN型光电探测器、叉指型光电探测器、空间调制光电探测器、CMOS集成的PIN光电探测器等, 但是由于受硅是间接带隙这个先天缺陷的影响, 这些探测器的普遍无法同时满足高频率、高响应度、与CMOS工艺相兼容这三大技术要求。

本文探讨将太阳能电池中的PERL技术应用于硅基PIN光电二极管上, 设计了一种具有较高响应度的硅光电二极管结构, 全面分析了该结构的技术特点, 使用SUPREM-IV模型对设计出的器件结构进行了一系列仿真和模拟, 获得该光电二极管的主要性能指标, 并重点模拟了I层尺寸的变化对该光电二极管的影响。

1 PERL太阳能电池技术分析

PERL技术是钝化发射极背面定域扩散 (Passivated Emitter and Rear Local diffused) 的简称。如图1所示, M.A.GREEN等人设计了以PERL技术为核心的单层硅单晶太阳能电池。该电池可以达到24.7%光电转换效率[5]。该电池应用了一些有效的技术措施来提高辐射复合的概率, 降低非辐射复合的概率。概括下来PERL技术主要包含了以下这些关键技术。

(1) 全钝化技术

在早期研究钝化发射极太阳能电池 (PESC) 时, SiO2层的钝化作用就十分地明显[6]。除了少数金属接触孔外, PERL太阳能电池的正面和背面都覆盖着热氧化生长的SiO2层。SiO2钝化层可以有效地中和硅的表面缺陷, 形成界面电荷密度较低的Si/SiO2界面, 降低了表面非辐射复合几率, 提高了光子在此界面的寿命。

(2) 二次扩散技术

PERL太阳能电池使用了高低浓度结合的二次扩散工艺来制备器件的P区和N区。大范围的低浓度扩散可以减小发射区表面浅层内“死层”的厚度, 并且降低发射区内少子复合, 提高电池的Voc及短波响应。接触孔区域的高浓度扩散可以有效地降低电极串联电阻, 提高电池的填充因子。

(3) 光陷阱技术

光陷阱技术是PERL电池提高转换效率的一项关键性措施。在PERL电池中光陷阱技术由正面倒金子塔结构与背面金属反射层组成。倒金子塔结构增加电池的受光面积, 并且降低了光在正面全面反射的概率。底部再辅助以合适厚度的SiO2层, 可以形成较好的抗反射层。在电池的背面, 由Si/SiO2/Metal三层结构组成的PERL电池的背面是光的良好反射体, 由于SiO2的折射率小于Si的折射率, 光在Si/SiO2界面容易发生全反射, 加之金属的反射作用, 可将绝大部分未吸收的光反射回电池内部。

值得一提的是, 二次扩散与表面钝化结合可以形成累积效果, 二次扩散使得发射区少子复合速度降低了, 虽然无论是一次扩散还是二次扩散, 在表面钝化的作用下, 表面复合速度都降低了, 但是二次扩散加上表面钝化后的太阳能电池表面复合速度下降得更多, 大约仅为原来的1/10左右, 而一次扩散加表面钝化表面复合速度为原来的1/2～1/3左右[7]。

2 PERL技术应用于PIN光电二极管的结构设计

将大尺寸的太阳能电池按比例缩小是可以将器件用作光电二极管的, 但是由于太阳能电池与光电二极管的侧重点不同, 在转换使用过程中, 将主要怎样解决太阳能电池过低的响应速度问题。PIN光电二极管是现今常用的光电二极管之一, 其主要的优点在于可以通过调节中间绝缘I层尺寸和器件尺寸来满足不同频率和相应度的要求。

通常来说, 应用于全硅光电子回路系统的硅光电二极管的质量高低有以下几点判据:

(1) 制备工艺是否能与现代CMOS制造工艺相兼容, 这是该种器件结构设计的前提; (2) 量子效率、响应度、响应速度是否能够达到要求; (3) 结构是否方便地与SiO2层耦合。使用SiO2层做光波导对实现光电互连有重要的意义; (4) 成本控制是否合理。通常制造工艺步骤数量较少的器件更加具有成本优势。

结合上述PERL太阳能电池技术和结构的分析, 可以应用PERL对PIN光电二极管作如下改进: (1) 尽可能多地使PIN光电二极管的界面层都有SiO2层钝化, 提高其光响应度; (2) 尽可能多地使PIN光电二极管的界面层都有浅扩散的掺杂, 降低其表面复合率; (3) PIN光电二极管的金属接触区域需要重掺杂, 以降低串联电阻。根据以上技术特点, 我们设计了以下PIN光电二极管结构, 如图2所示。

该PIN光电二极管对以上PERL技术进行了一定的取舍, 舍弃了PERL技术中的倒金字塔结构形成的光陷阱。这主要是由于倒金字塔结构不能满足与现代CMOS制造工艺相兼容这一设计前提。具体的结构说明如下陈述。

通常情况下, 光在硅光电二极管的穿透距离为十几个微米, 这个距离远大于耗尽层的宽度。而耗尽层外产生的光生载流子需要通过扩散运动流向接触电极, 运动时间较长, 严重影响了器件的频率响应。使用N阱与衬底形成一个二极管, 把衬底深处的光生载流子吸收, 使之不扩散到顶部而影响器件速度, 是一种解决器件频率响应的措施[8]。但是这需要外加一些工序, 而且效果也不是很好。如图2所示, 本器件使用SOI晶片作为器件的衬底。在SOI晶片的中间有一层绝缘层SiO2层。该绝缘层可以有效的屏蔽掉底层硅产生的光生载流子, 使得其不能扩散进入到上层有源层中, 有效地提高了该器件的响应速度。此外, 合理设计该光电二极管的尺寸, 还可以满足SiO2-Si-SiO2这脊形光波导的单模条件[9], 在同一个衬底上将光电二极管和光波导集成起来, 更简便地实现光电互联。

该器件除了中间的衬底SiO2层外, 其他边界均使用热氧化的SiO2层进行钝化。尽可能低的界面态密度是高质量的光电二极管和发光二极管都需要的, 因为使用SiO2层钝化界面可以有效地降低器件界面态密度, 增加少子寿命, 降低非辐射复合几率。现代集成电路制造MOS器件的栅氧化层标准基本满足上述条件。此外, 生长的SiO2钝化层应选择在含氯的气氛中, 同样可以有效地减少表面态的密度。在顶层硅中, 分别使用了二次扩散技术形成了P型与N型重掺杂区和P型与N型低掺杂区, 其中重掺杂区用于电极接触, 而低掺杂区则可以降低暗电流, 提高少子辐射复合几率。

根据图2所示结构, 我们设计了以下在CMOS工艺下进行的器件工艺步骤, 如图3所示。

3 器件模拟与讨论

在完成器件的结构设计后, 进行必要的电学、光学仿真可以帮助我们了解器件的性能, 优化器件的尺寸。使用斯坦福大学仿真器SUPREM-IV对该器件进行仿真模拟。分别设置器件的工艺与模型参数如表1所示, 并得到器件仿真模拟图如图4所示。

I层的尺寸对PIN光电二极管的性能有着直接的影响, 为了深入地了解I层的尺寸参数对器件性能的影响, I层的结构参数进行细微地调整, 进行了对比性的模拟仿真。I层的尺寸主要包括了厚度、长度与宽度三个要素, 在本器件中, 分别对应于顶层Si的厚度、长度与宽度。由于I层的宽度与I层的长度对器件的性能的影响与作用是一致的, 为了简便起见, 主要模拟仿真了不同I层的厚度、长度的器件的性能指标。

针对不同I层长度, 我们设置其分别为20 μm、25 μm、40 μm与50 μm, 并进行了一些仿真实验, 结果如图5、6、7、8所示。

图5反映了不同I层长度器件的光谱特性。从图中可以看出, 四种不同I层长度器件的光谱响应分布的趋势基本是一致的, 光生电流都是在λ=0.1 μm处于低值, 随着波长λ不断增大, 光生电流也随之增大。在波长λ=0.6 μm处达到峰值后, 波长λ增加将导致光生电流减小, 这说明该种光电二极管非常适合用在探测可见光范围的二极管上。值得注意的是, 纵坐标为光生电流非负极电流, 主要是这里还牵涉到负极收集能力强弱的问题。

负极的收集能力与负极外加的电压是密切相关的。图6是I层长度为20 μm的器件, 在太阳能电池用AM1.5标准的光功率即0.1 W/cm2下, 稳定正极电压Vanode=0 V, 光生电流线密度和负极电流线密度随负极电压变化的规律。

从图6可以看出, 横坐标负极电压不断升高, 光生电流却保持不变, 维持在7.2×10-9 A/μm。而负极电流在Vcathode=2.5 V前随负极电压的增加而上升, 在Vcathode=2.5 V处饱和后保持在6.4×10-9 A/μm不变。这说明了随着负极电压的上升, 负极对光生载流子的收集能力是不断增强的。若假设器件长宽为20 μm×20 μm, 则射入该器件的光功率为0.4 μW, 计算得光生电流线密度为0.064 μA/μm, 光生电流为0.128 μA, 响应度为0.32 A/W。从图中可以看出, 负极收集到的光生载流子总是小于在耗尽区产生的光生电流的, 这是由于负极电流不仅有光生电流成分, 还有二极管反向电流。以上两个电流是反向的相抵消的。

图7表征的是不同I层长度器件的直流特性。稳定负极电压Vcathode=2 V的条件下, 上图为光生电流线密度随光照强度的变化规律, 下图为负极电流线密度随光照强度的变化规律。

图7中的右图显示了光生载流子随光照强度增加有不断增大的趋势, 而左图表明负极电流的提升却很缓慢。这说明了随着器件尺寸的增加, 负极的收集效率是不断降低的。维持负极电压Vcathode=2 V显然无法满足50 μm这种大尺寸器件的需要, 而使用类似较大面积的器件时需要更高的负极电压。

图8为不同I层长度器件的瞬态特性, 当光功率由5 W/cm2在1 ns内降为0, 负极电压Vcathode=2 V, 入射光为683 nm的单色光时, 有效的光生电流的变化。从图中可以看出无论是20 μm, 25 μm, 50 μm的器件, 它们的响应时间都在ns量级, 这表明该种器件的响应速度是非常快的。

仿真结果显示I层的长度越大, 光生电流则越大, 光响应度越高, 要求的负极电压也就越高。但是同时负极的收集效率却随电压的增加而不断降低。长度较长的光电二极管并没有表现出明显的频率特性的不足, 响应速度稍微降低了, 几种尺寸的瞬态响应几乎是一样的。同时它们的光谱特性也基本是一致的, 峰值均在λ=0.6 μm处。虽然长度较长的器件在光生电流, 量子效率等方面表现出优势, 但这些都是以牺牲芯片的集成度为代价的, 相同的芯片尺寸可以制造20 μm的光电二极管数量至少两倍于50 μm光电二极管数量。而且可以预见, 过大尺寸的器件将越来越无法满足高频高速度的电路要求。

文献[10]已经研究了版图尺寸为15 μm相似的结构, 通过调整顶层Si厚度为3 μm和5 μm讨论器件性能的差异。同样地, 针对I层的厚度, 我们也设置了不同的尺寸来研究器件的性能影响, 如图9、10、11所示。

图9表征了不同I层厚度器件的直流特性, 上图和下图分别为光生电流线密度、 负极电流线密度随光照强度的变化曲线。从图中可以看出在相同光照强度的条件下, 随着器件厚度的不断提升, 光生电流、负极电流都提高了。但是以光照强度b1=0.6 W/cm2为参照, 3 μm、5 μm、7 μm的器件的光生电流分别为0.313 μA/μm、0.378 μA/μm、0.395 μA/μm, 5 μm相比3 μm提升了约20.8%, 而7 μm相比5 μm提升了约4.8%。该现象可以解释为, 在表1的掺杂水平下, 深扩散PN结深在3.5 μm～4 μm。在结深以内, 器件的光生电流随器件厚度的提升还是相当明显的。当器件的厚度超过了结深范围以外, 则厚度对光生电流的提升幅度是越来越小的。负极电流的情况也同样如此。

图10表征了不同I层厚度器件的的光谱响应。从图中可以看出, 在波长λ=0.5 μm之前3 μm厚度的器件的光生电流与5 μm、7 μm的器件的光生电流基本相同, 甚至要略高于它们。但是随着波长的提高, 光生电流线密度的逐渐形成以下关系, I7 μm>I5 μm>I3 μm。当器件的厚度由5 μm变化至7 μm时, 光生电流的峰值响应由λ=0.6变化为λ=0.7 μm。

图11显示了不同I层厚度器件的的瞬态响应, 可以看出随着器件厚度的不断的提高, 其反应速度有所降低, 但幅度很小。

模拟结果显示器件的厚度越大, 则光生电流越大。当器件的厚度在PN结深以内时, 光生电流随厚度的变化比较明显。当器件的厚度超过了PN结深后, 光生电流关于厚度的变化则十分有限。光谱特性显示, 厚度较大的器件的长波响应要好于厚度小的器件, 而短波响应则基本一致。通过调整器件的厚度可以调节器件的峰值响应。这说明了短波长的光在该光电二极管中的表面区域被吸收, 而长波长的光可以投射进入二极管的深部进而被吸收。器件的厚度对频率的影响也较有限, 虽然厚度较大的响应速度相比之下是有所降低的。

4 总 结

本文设计了一种高响应, 高截止频率的PIN光电二极管的结构图, 通过对器件的的模拟和结果的分析, 说明了该光电二极管频率特性和响应度基本让人满意, 可以调节I层的尺寸来获得不同的峰值响应与速度, 保留了PIN光电二极管的主要优点。

参考文献

[1]Brass E, Hilleringmann U, Schumacher K.Systemintegration of optical devices an analog CMOS amplifiers[J].IEEE J.Solid-State Circuits, 1994, 29:1006-1010.

[2]Woodward T K, Krishnamoorthy A V.1 Gbit/s CMOSphotoreceiver with integrated detector operating at 850nm[J].Electronics Letters, 1998, 34:1252-1253.

[3]Kuijk M, Coppee D, Vounckx R.Spatially modulated lightdetector in CMOS with Sense-Amplifier receiver operating at180 Mb/s for optical data link applications and parallel opticalinterconnects between chips[J].IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics, 1998, 4:1040-1045.

[4]He Y S, Garrett L D, Lee K H, et al.Monolithicallyintegrated silicon nMos pin photoreceiver[J].ElectronicsLetters, 1994, 30:1887-1888.

[5]Zhao J H, Wang A H, Green M A.24.5%efficiency siliconPERT cells on MCZ substrates and 24.7%efficiency PERLcells on FZ substrates[J].Progress in Photovoltaics, 1999, 7:471-474.

[6]Blakers A W, Green M A.Oxidation condition dependence ofsurface passivation in high efficiency silicon solar cells[J].Applied Physics Letters, 1985, 47:818-820.

[7]王宇, 史济群, 马稚尧, 等.PESC电池扩散工艺的改进及分析[J].华中理工大学学报, 1991, 2:191-194.

[8]毛陆虹, 陈弘达, 吴荣汉, 等.与CMOS工艺兼容的硅高速光电探测器模拟与设计[J], 半导体学报, 2002, 23 (2) :193-196.

[9]Fischer U, Zinke T, Petermarm K.Integrated opticalwaveguide switches in SOI[C].Proceedings 1995IEEEInternational S0I Conference, 1995, Tucson, AZ, USA:141-142.

高速微型光电检测电路设计 篇9

现代技术的发展越来越系统化和标准化,同时,实际工程对技术的需求变得越来越多样化和个性化。对于检测技术也是这样,标准化的展品越来越难以满足个性化的现实需求,而定制产品可以更好地满足某些个性化的工程需求。

1 性能要求

在某项目中,通过对项目需求的挖掘分析,提出了光电检测前端的功能要求及技术指标。要求光电检测的线性阵列的响应周期时间为11μs~22μs,上升时间不大于10ns,阵列中每个光电检测单元的中心间距不大于2mm。

2 分析

在光电检测中,常用的元件有CCD(电荷耦合元件)、PD(光电二极管)、P T(光敏三极管)和APD(雪崩光电二极管)。其中,CCD由于信号串行输出,响应速度很慢;PT的响应时间为10μs级;PD的响应时间为10ns级,而且价格比较便宜;APD技术性能优异,但价格昂贵,物理尺寸大,很难做成规模较大的精密线阵。

硅光电二极管PD通常是用在光电导工作模式下。在无光照射条件下,若给PN结加一个适当的反向电压,则反向电压会加强内建电场,使得PN结空间电荷区拉宽,势磊增大;当PD被光照射时,在PN结区产生的光生载流子将被加强了的内建电场拉开,光生电子被拉向N区,光生空穴被拉向P区,于是形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。光电流比无光照时的反向饱和电流大得多。相同条件下,光照越强,产生的载流子越多,光电流就越大。硅光电二极管PD的等效电路如图1。

为提高设计效率,采用自下向上的模块化方法。把一个硅光电二极管及其放大电路设计为一个基本单元电路,再把多个单元电路设计为一个光电检测线性阵列。

3 元件选择

通过分析项目约束,选择硅光电二极管PD15-21B。PD15-21B的数据手册的关键参数如表1所示。

硅光电二极管PD15-21B的有效感光面积为0.3mm2×0.3mm2。另外,硅光电二极管PD15-21B的电流-光照特性是显著线性的,伏安特性的线性也较好,过度时间短,温度漂移也较小。

所以硅光电二极管PD15-21B是理想的红外光检测元件,满足项目的技术要求和经济性要求。

放大电路的设计,既要满足电气性能要求,也要满足物理性能要求。常用的有运算放大器放大电路和三极管放大电路。对于运算放大器放大电路(如图2所示)而言,一般的运算放大器的截止频率太低,难以与光电二极管PD15-21B的上升时间和下降时间匹配,供电、外形尺寸和价格都较难满足工程要求,所以无法使用。

对于三极管放大电路,由于三极管的放大倍数有限,所以单级放大电路难以输出标准的电平供后续电路进行逻辑处理。所以采用两级三极管放大电路较为合理。

选择Philips Semiconductors生产的BCM847BV双NPN三极管,其单管的直流放大倍数典型值为250(VCE=5 V;IC=10μA),截止频率典型值为250MHz(最小值为100MHz),双管为SOT666封装,外轮廓线最大为1.7mm2×1.7mm2。

4 电路设计

用硅光电二极管PD15-21B作为敏感元件,BCM847BV作为放大元件,构成的光电检测电路如图3所示。当PD未被激光束照射时,T1截止,T2基极正偏,T2导通,输出Vo为低电平;当PD被激光束照射时,T1导通,T2基极反偏,T2截止,Vo输出为高电平。

本单元电路在项目中所构成的光电线性阵列前端,其中横向阵列局部的PCB板图如图4所示。每一个单元电路的宽度为2mm。

5 实验

一个宽度为9mm的遮光器,以200m/s的速度遮断照射一个单元电路的PD15-21B的红外激光束,并测试放大电路的输出。此实验相当于在PD上形成一个宽度为44.8μs,上升时间和下降时间均为1.5ns的暗光脉冲,经过光电转换、放大和计算,期望的理想输出一个宽度为44.8μs,上升时间和下降时间均为1.5ns的高电平脉冲。放大电路的输出波形(根据示波器波形绘制)如图5所示。放大电路的性能指标如表2所示。

实测波形前沿比较陡峭,上升时间为6ns,完全满足10ns的要求。脉冲宽度与设想一致。输出高电平为5V,低电平近似0V,非常理想,适合后续电路并行处理。

6 结论

用硅光电二极管PD15-21B作为敏感元件,BCM847BV作为放大元件,构成的光电检测电路精简、灵敏度高、过度时间短且输出TTL电平的物理尺寸非常小,所构成的线性阵列电路性能指标完全满足项目的要求。

摘要：本文分析了高速微型光电检测电路具体项目的技术要求,提出了电路设计的功能及技术指标,合理地选择了满足快速性要求的电路结构和满足电气性能与物理性能要求的元器件,设计了精简的二级三极管光电放大电路。通过测试,电路性能指标满足项目的需要。

关键词：光电检测,光电二极管,放大电路

参考文献

[1]许卫春,徐可欣,贺忠海.光电测试系统的性能分析[J].传感技术学报:2004,12(4).

[2]曾光宇,张志伟,张存林.光电检测技术(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2009:62.

[3]李常青,梅欣丽,明奇,微弱光信号检测电路的实现[J].应用光学:2010,31(5).

[4]左涵之,甘若馨.光电位置传感器测量精度的改进[J].电子技术:2010(9).

[5]占建明,汶德胜,王宏,等.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].集成电路设计与应用:2011,36(4).

[6]黄迁,张涛,郑伟波.基于FPGA的光电二极管阵列驱动设计[J].科学技术与工程:2011,11(16).

[7]王昊,赖康生.基于DSP的光电二极管阵列信号采集系统设计[J].工业控制计算机,2011,24(5).

[8]陈增标,李志锐.自扫描光电二极管阵列的输出信号探讨[J].内江科技:2011(6).

线性光电隔离电路的设计 篇10

在工业现场模拟信号的采集过程中,抗干扰是首先要解决的问题。如果不经隔离,各种电磁干扰信号就会和被测信号一起进入测量系统。干扰信号叠加在被测信号上,一方面降低了测量的准确度;另一方面,尖峰电磁脉冲将会给后级电路系统带来严重的破坏[1,2]。所以,模拟信号必须和后级的采集电路在电气上完全隔离。光电耦合器件利用光电转换,使用光信号进行信号传输,抗干扰能力强,性能良好,被非常广泛的应用在数传和采集系统信号隔离中[3,4,5]。 但是光电耦合器件由于发光二级管和光敏三极管的伏安特性,非线性失真非常严重,一般仅仅应用在数字信号的隔离中,对于模拟信号,不能直接使用光电耦合器件来进行隔离。对于数字光耦,可以使用反馈改善其输入输出的线性度,从而使用数字光耦得到模拟光电隔离电路。在此使用数字光耦TLP521-2和集成运放LM2904设计了深度负反馈电路,大大提高了光耦的线性度。试验表明:使用用数字光耦,经过负反馈电路设计,可以实现高精度的信号隔离。

1 数字光耦TLP521-2

TLP521-2是东芝公司的数字光耦器件,该芯片内部封装了两路独立的光耦,每一路光耦由一个发光二级管和一个光敏三极管组成。耦合原理:当给发光二级管加正向电压时,二极管导通发光,光线照射在光敏三极管的感光面上;如果同时给三极管的CE级加正向电压,则三极管的CE级产生集电极电流输出[2]。TLP521-2内部结构和管较排列如图1 所示。

由于二极管和三极管的伏安特性,光敏三极管集电极电流Ic和发光二极管正向电压Vf不是线性的[6,7,8],曲线图如图2所示。

2 深度负反馈电路设计

使用深度负反馈可以改善系统的线性度,根据这个原理,在此设计了模拟信号的光电隔离电路。在该电路中使用了1片LP521-2光耦和2片LM2904集成运放。LP521-2有两路光耦,其中一路用于信号转换,一路用于负反馈;运放2904-1A用于用于组成负反馈电路,运放2904-2A构成了电压跟随器,用于增加电路带负载能力。模拟信号光电隔离电路如图3所示。

电路输出电压和输入电压是线性关系:LP521-2的两路光耦通道的发光二极管串联,通过2个二极管的电流If1=If2。因为两路光耦封装在1个器件中,光电特性基本一致,理想情况下可以认为两路光耦的集电极输出电流相等,即Ice1=Ice2。

根据理想运放的性质[9],可以得到下面的公式:

$\begin{array}{l}V{}_{\text{i}}={\rm I}{}_{\text{c}\text{e}2}R{}_1(1)\\ V{}_{\text{o}}={\rm I}{}_{\text{c}\text{e}1}R{}_2(2)\end{array}$

所以Vo=(R2/R1)Vi,输出电压和输入电压成正比,比例系数由R1和R2确定。

3 电路具有输出保护功能

输出电压Vo=VCC-Vce,其中,Vce为光敏三极管c,e极的压降,所以,当输入电压很大时,输出电压Vo的值也不会超过VCC。这样就保护了后续电路,不受冲击电压的影响。增大VCC可以增大隔离电路的量程。

4 电路静态特性

使用可调稳压电源产生各种一系列不同电压加光电隔离电路输入端,并使用高精度数字万用表测量电路的输入/输出值,得到电路输入输出特性。表1列出了输入输出的典型值。(R1=R2=1 kΩ,VCC=12 V)。根据试验数据得到电路的输入输出曲线,如图4所示。

使用线性拟合[10],得到电路的理想特性曲线为:y=1.005 3x+0.003,线性度为0.014%。

5 结 语

光电隔离是模拟信号采集的一项关键措施,在此设计了线性光电隔离电路,该电路能实现模拟信号的隔离。当输入电压在在0~5 V范围内时,输出误差最大为27 mV,线性度达到0.014%。

参考文献

[1]王郠.光耦合器在抗干扰线路中的应用[J].电子工程师,2002,28(3):52-53.

[2]宋小明.光电耦合器在并口长线传输中的应用[J].电子设计工程,2009,17(5):124-126.

[3]张建平.光电耦合器在干扰弹测速系统中的应用[J].传感器与微系统,2008,27(2):112-113.

[4]董成富.光电耦合器在带传输系统中的应用[J].核电子学与探测技术,2001,21(1):48-50.

[5]唐红.光电耦合器及应用[J].贵州学院学报,2006,1(4):7-10.

[6]李应辉.辐照条件下光电耦合器的电流传输比模型[J].半导体光电,2008,29(2):158-161.

[7]GERMANICUS R,DUSSEAU L,SAIGNéF,et al.Analy-sis of the proton-induced permanent degradation in an optocou-pler[J].IEEE Trans.on Nuclear Science,2002,49(3):1421-1425.

[8]张宏琴.光电耦合器的测试[J].大学物理试验,2006,19(1):44-46.

[9]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

浅议光电效应演示实验设计策略 篇11

关键词： 光电效应 演示实验设计 设计策略

一、光电效应的实验原理和一般设计方案

光电效应现象是指在光的照射下，物体发射电子的现象。如图所示，将锌板与验电器相连，用紫外灯照射锌板，若有电子从锌板上飞离，验电器的张角便会张开。

所以一般我们都是设计一个金属被光照射能打出电子的演示实验，和金属板相连的验电器由于金属板失去电子带上正电，验电器指针偏转，这是让学生最形象地理解光电效应演示实验。这个实验要受到空气的湿度、验电器是否漏电、指针重力偏大等因素的影响，实验很难成功演示；而且这个实验不能直接说明锌板打出了电子使得验电器带正电。但这个实验的优点就是用不同频率的光照射金属，观察光电效应产生的条件，发现金属发生光电效应的截止频率。

二、采用预带电法进行光电效应演示实验

先用毛皮摩擦过的橡胶棒不断接触锌板，让锌板带上负电，和锌板相连的验电器的指针的张角显示出锌板带负电量的情况，然后用紫外灯照射锌板，观察到验电器指针的张角逐渐减小到零，说明紫外光使锌板失去了电子，锌板由带负电变成了不带电的状态。用频率较小的光照射锌板发现验电器指针偏角没有发生变化，以此说明光电效应的产生条件和光子的频率有关。

这种方法简便易行，但容易让学生产生误解：似乎只有带负电的锌板在紫外光的照射下才能产生光电效应。对此，我们要进行一个补充实验，接下来介绍用中和法进行光电效应演示实验。

三、采用中和法进行光电效应演示实验

在验电器上安装一个铜网，用毛皮摩擦过的橡胶棒不断接触铜网，让铜网带上负电，用紫外线直接照射铜网，观察到验电器指针偏角并没有发生变化，说明紫外光不能使铜网发生光电效应。再用丝绸摩擦后的玻璃棒不断接触铜网，让铜网带上正电，用紫外线直接照射铜网，观察到验电器指针偏角也没有发生变化。在铜网后放一块不带电的锌板，紫外光照射到锌板上，发现验电器指针偏角逐渐减小，说明被紫外线照射的锌板发射出电子，打到铜网上中和铜网上的负电。改变光照频率重复实验总结出光电效应产生条件是光子的频率大于或者等于截止频率，每种金属都有固定的逸出功，对应这种金属的截止频率。

四、采用附加电场法进行光电效应演示实验研究光电流和遏止电压

用锌板作为光电管的阴极，当频率足够大的光照射锌板就足以使锌板打出电子，电子在外加正向电场的作用下就可以运动到阳极从而接通电路，观察灵敏电流计的读数就可以判断是否发生光电效应，以此研究光电效应发生的条件。

当我们观察到光电效应现象后调节滑动变阻器增加两极的加速电压，发现在电流较小的时候电流随着加速电压的增大而增大，当电流增大到一定值之后，即使加速电压再增大，电流也不会增大，即达到饱和电流。这说明在一定的光照强度下，单位时间内阴极K发射的光电子数目是一定的，加速电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使在增大电压，电流也不会增大。当我们增加光子频率时，光电流大小不发生变化，但我们增加光照强度时，单位时间的光子数增多，单位时间打出的光电子就会增多，光电流就越大。

将加速电压反向，电压变成反向减速电压，并逐渐加大减速电压知道光电流刚好为零，说明光电子刚好不能从阴极到达阳极，我们把这时的减速电压称为遏止电压。当增大光子的频率，我们又发现光电流，进一步加大减速电压，发现光电流再次变为零。这说明光子频率增大，光电子动能增大，遏止电压增大。遏止电压的发现说明光电子的初动能只与光子频率有关，和光照强度、光照时间无关。电子一次性吸收光子能量克服逸出功后剩余的能量转化为电子的动能，因为光子能量只与光子的频率有关，所以电子的初动能也只与光子频率有关，遏止电压也只与光子频率有光。这个现象非常有助于我们对光电方程的理解。

高速差分光电检测电路的设计 篇12

光电检测的一个应用就是作为连续变量量子密钥分发系统的信号接收器[4,5].连续变量量子密钥分配实验中采用微弱光脉冲代替单光子脉冲作为信息载体.微弱光信号在发送方经过调制,在信道上传输,到达接收方,在接收方利用零差相干检测技术,将信号光与本振光进行混频,输出的2路光信号利用差分光电检测电路进行光电转换,把光信号的差分信息转换为与功率成正比的电压信号,进行后续的信号采集与处理.

根据上述系统的要求,本文运用相关电路的设计思想优化电路结构,采用新型器件,设计出一个适用于连续变量量子密钥分配实验的高速差分光电检测电路.文中从基本原理出发,对电路设计进行分析,最后给出电路的测试方法及测试结果.

1 基本原理

1.1 光电二极管等效模型

光电二极管的等效电路模型如图1所示.

从图1可看出:光电二极管包括理想二极管、光电流、分路电阻RSH、结电容CJ的并联.

其中:结电容CJ的大小与结电流和反偏电压有关,当反偏电压上升时,结电容会随之减小.分路电阻较大(100 kΩ～100 GΩ),但是随温度变化比较明显,温度每上升10℃,分路电阻就减小1/2.

1.2 偏置方式选择

本实验采用的光电管为BPX65,在光照下根据外部电路的不同可以产生2种输出:

(1)开路电压输出

当光电管的两端处于开路状态时,在光照下会产生开路电压输出.但光电二极管的开路输出电压与光照强度成对数关系,且受温度变化的影响较大,开路电压输出的方式适合于太阳能电池方面的应用,不适用于光信号检测.

(2)短路电流输出

当光电二极管的两端处于短路状态时,在光照下会产生短路电流输出.短路电流输出与光照强度关系如图2所示.

从图2可以看出:光电二极管的短路输出电流在6～9个数量级的光强范围呈理想线性变化,因此短路电流输出方式适用于光信号检测.

本次设计的目的是要实现高速光信号检测,因此在偏置上采取了短路电流输出方式,使光电二极管工作在反偏状态下,并使前置放大器的输入电阻接近短路状态.在光电二极管输出的前置信号放大部分先用宽带互阻型放大器实现电流到电压的转换,再用电压放大器实现电压放大.整个检测电路只用2级放大,简单可行,且有利于减小噪声影响.

2 实验电路

高速光电检测电路原理图如图3所示.

检测电路总体上包括电源部分、光-电转换、前置放大电路、中级滤波、后级放大5个模块组成.以下将对各个模块进行分析.

(1)电源部分:产生各部分电路工作所需的合适电源.

电路工作需要多种电压供电:2个光电二极管差分驱动,工作时需要正负电源提供双偏置;前置放大器SA5212需要5 V供电,后级放大器UA733工作需要12 V供电.

电源部分的核心器为DC/DC转换电源模块,起隔离和稳压的作用.电路中共用了2个DC/DC转换模块:其中一个为5～±12 V转换,为光电管提供偏置电压,同时其中+12 V通过7805稳压芯片转换为5 V电压输出,为前置放大芯片SA5212供电;另一个为5～12 V转换,为后级放大芯片UA733供电.

(2)光-电转换:把光信号转换成电流信号.

根据系统要求,需要实现差分检测功能.因此电路中应用2个光电二极管实现差分驱动.2个光电二极管工作于12 V的反偏电压下,工作模式为光导模式.较高的偏置电压有利于减小光电二极管的结电容,提高二极管的响应速度.从手册可查得,光电管BPX65在12 V的反向偏置电压下的结电容约为2.5 pF.

(3)前置放大电路:把光电管转换出来的电流信号转换成差分电压输出.

前一级光电转换的结果为与光功率成正比的微弱电流信号.要进行采集,必须转换成电压信号.若直接用电阻完成电流-电压的转换,由于结电容CJ的影响,会缩小检测电路的有效带宽.因此比较通常的解决方法是采用运放加反馈电阻构成电流-电压转换电路.文献[2,3]分析了光电检测前置放大电路的解决方案及设计高速检测电路时的注意事项.本系统中,这一部分采用跨阻型放大器SA5212实现.

SA5212是Philips公司生产的一款宽带、低噪声、差分输出的跨阻型放大器,在其应用时,不需要任何外加电路即可实现14 kΩ的跨阻放大.其典型特性为[11]:①极低噪声:2.5 pA/rtHz;②单5 V电源供电;③高带宽:140 MHz;④差分输出;⑤低输入/输出阻抗;⑥14 kΩ的差分跨阻;⑦ESD保护.

以上特性使SA5212特别适用于模拟或数字光通信的光接收器,以及其他高阻信号源的宽带小信号电流放大,如电流-电压转换模块等.

在本系统中,以前一级差分光检测的光电管输出电流作为前置放大器的输入,经过前置放大器后输出为差分电压.差分电压输出的方式有利于与后级放大电路采用隔离地方式连接,可避免共模偏移的影响.

(4)中级滤波电路:去除高频干扰的影响.

因为有源滤波器不仅结构复杂,且通常的有源滤波器其有效带宽相对较小,本系统中采用的滤波器为无源三阶巴特沃斯滤波器.滤波器的电路图如图4所示:

令R=R1+R2,L=L1+L2,根据图4电路图,可计算滤波器的幅频特性为:

实验中,要求电路的截止频率为fc=3 MHz.代入式(1)计算,取L=100 μH,C2=50 pF,C1=17 pF,R=1.5 kΩ,得三阶巴特沃斯滤波器的频率为fc=3.18 MHz.

(5)后级电压放大部分:

对上一级输出的差分电压进行放大,达到可检测范围.采用宽带放大芯片UA733实现.UA733的前级电路如图5[12].

从图5可看出:UA733内部结构没有提供直流偏置,因此在芯片外部电路中增加R4、R5、R6、R7以提供直流偏置.偏置电阻使差分放大器输入端的共模电压被控制在正负电源的中点.而输入端的差模电压由前级的电流-电压转换器决定.电压放大部分与前级的电流-电压转换部分2级的供电系统彼此隔离.

另外,为增强电路的抗干扰性能,在整个电路的外部增加一个金属屏蔽盒并将其接地,以防止外部电磁干扰对电路的影响.

3 电路测试及实验结果

为测试电路功能,设计了一个光源发生模块,以验证电路的频率响应特性及差分检测功能.电路由信号源模块、分频器(74HC161)、缓冲驱动器(74HC125)及LED发光管组成.电路原理图如图6所示.

信号源模块可用有源晶振,也可外接信号发生器产生任意频率的驱动信号;分频器用于产生2路不同的发光管驱动信号源,用于测试差分功能;缓冲驱动器(74HC125)为一三态门,用于提高信号源的驱动能力.通过输入与输出波形的分析可判断是否实现差分检测.输入信号波形与预计的输出信号波形关系如图7所示.

实验中采用双踪示波器,因此只检测LED1和光检测结果的输出波形.调节信号发生器,使得驱动信号的频率为1 MHz时,实际检测波形结果如图8所示.

图8中上半部分的方波为LED1的驱动信号波形,对应图7中的第1个波形;下半部分为检测电路的输出波形,对应图7中第3个波形.将图7与图8进行比较,所测试结果与预计波形形状基本一致,说明电路在高速信号条件下正确地实现了光信号的差分检测.

4 结 论

本文完成了高速差分检测电路的理论分析、电路设计、制作,以及最后的功能验证.设计出的电路实现了1 MHz光信号的差分检测,可用于配合连续变量量子密钥分配实验,作为系统中的信号检测模块.

摘要：为配合连续变量量子密钥分配实验,本实验设计了一个光信号检测电路,在参考相关设计资料的基础上,采用新型器件,实现了光信号的高速差分检测.从光检测器件基本原理入手,讨论实验方案,再对设计电路的各个模块进行分析,最后给出测试方法及测试结果.

关键词：光电检测,差分,SA5212,UA733

参考文献

[1]雷玉堂,王庆有.光电检测技术[M].北京:中国计量出版社,1997.

[2]刘彬,张秋婵.光电检测前置放大电路设计[J].燕山大学学报,2003,27(3):193-196.

[3]千奕,苏弘.一种快前置放大电路的研制[J].核电子学与探测技术,2006,26(6):842-844.

[4]Grosshans F,Van Assche G,Wenger J.Quantum keydistribution using gaussian modulated coherent states[J].Nature,2003,421(6920):238-241.

[5]陈进建,韩正甫.连续变量量子密码术[J].物理,2006,35(9):785-790.

[6]Photodiode Monitoring with Op Amps,BB ApplicationBulletin,Printed in USA,January,1998.

[7]R.M.加利亚尔迪.光通信技术与应用[M].陈银祥译.北京:电子工业出版社,1998.

[8]郭培源,付扬.光电检测技术与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[9]陈宇,温欣玲,赵雨斌.高精度智能检测系统研究与设计[J].电子器件,2006,29(4);1255-1258.

[10]魏正军.量子保密通信光检测和随机码产生的研究[D].广州:华南师范大学,2004.

[11]SA5212A Product Specification/Data Sheet.PhilipsSemiconductors,1998.