微弱光信号检测和放大电路的设计-课程设计任务书

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1、XX大学课程设计任务书15/16学年第二学期专业：电子信息工程学生姓名：学号：课程设计题0:起迄日期：课程设计地点：指导教师：系主任：下达任务书日期：2016年6月12日课程设计任务书1・设计目的：学生通过自己动手设计制作，将电子技术相关理论知识与制作实践相结合，提高学生的动手能力，加深对电了技术原理的理解，增加学习电了技术的兴趣，为今后投入电子技术的开发应用打好基础。2.设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）:设计一个微弱光信号检测器，对被检测的信号进行放大要求：将光信号转换为电

2、信号，分多级进行放到，输出的信号放大到0〜5V;对放大电路进行抗干扰设计；对电路进行仿真；3.设计工作任务及工作量的要求（包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等）:工作任务:利用multisimsquartus等软件进行仿真,利用protel软件绘制电路原理图和PCB版图。（1）计算元件参数，给出详细计算过程；（2）给出完整的设计方案；（3）画出完整电路图，并仿真，对仿真结果进行分析；（4）写出设计说明书，要求内容全面，结果合理，格式正确。1光电检测电路的基本构成光电探测器所接收到的信号一般

3、都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放人电路、滤波电路和主放人电路來输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。J光电1转検器/放人电路电流电戸.图1光电检测电路模块給构框图2光电二极管的工作模式与等效模型2.1光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二

4、极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但耍牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍冇一个很小的电流（叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置吋，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。©光伏模式图2光电二极管的II作模武一般來

5、说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。2.2光电二极管的等效电路模型工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，IL为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。图3光电：极借丁作檢世由于工作于该

6、光伏方式卜•的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中,影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD,它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越人。相反，较宽的耗尽层（如PIN光电二极管）会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD辿称作吩流”电阻或叩音”电阻），则与光电二极管的偏置有关。与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电

7、压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小冇利于高速工作，然而，线性度和失调谋茅尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。3电路设计3.1主放大器设计众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器來进行非屯量的转换，从而使检测对象转变为电量（电流或电压）。由丁-所测对象木身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大

8、电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为A/D转换电路，所需电压幅值一般为2Vo然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放人几百倍，因此还需应用主放人电路。其典型放大电路如图4所示。KIK2图4典型放大电路该主放大器的放大倍数为A=l+R2/R1,其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。（即有Uo=AUi=1+—U（1）IrJ32滤波器设计为:使电路设计简洁并具有良好的信噪