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高速微型光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

作者:李為民 時(shí)間:2016-05-26 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:本文分析了高速微型光電檢測(cè)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(jiǎn)的二級(jí)三極管光電放大電路。通過(guò)測(cè)試,電路性能指標(biāo)滿足項(xiàng)目的需要。

摘要:本文分析了高速微型電路具體項(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(jiǎn)的二級(jí)三極管光電。通過(guò)測(cè)試,電路性能指標(biāo)滿足項(xiàng)目的需要。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201605/291766.htm

引言

  現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展越來(lái)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(lái)越多樣化和個(gè)性化。對(duì)于檢測(cè)技術(shù)也是這樣,標(biāo)準(zhǔn)化的展品越來(lái)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(guò)對(duì)項(xiàng)目需求的挖掘分析,提出了前端的功能要求及技術(shù)指標(biāo)。要求的線性陣列的響應(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(cè)單元的中心間距不大于2mm。

2 分析

  在光電檢測(cè)中,常用的元件有CCD(電荷耦合元件)、PD()、PT(光敏三極管)和APD(雪崩)。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PD通常是用在光電導(dǎo)工作模式下。在無(wú)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(chǎng),使得PN結(jié)空間電荷區(qū)拉寬,勢(shì)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(chǎng)拉開(kāi),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(wú)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(cè)線性陣列。

3 元件選擇

  通過(guò)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(cè)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(guò)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(cè)元件,滿足項(xiàng)目的技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性要求。

  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(wú)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(VCE = 5 V; IC = 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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)電路精簡(jiǎn)、靈敏度高、過(guò)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(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第48頁(yè),歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用,并注明出處。



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