新型光电线路检测的设计

刘红梅

摘要 光电检测线路能将许多影响光亮或光特性的非电量，例如转速、温度、压力等进行检测，输出可识别的信号。该种电路广泛用于民用、军事、农业等领域。本文对光电检测电路的设计进行探讨。

【关键词】光电检测线路 光电元件 前置放大

1 前言

1860年，英国物理学家麦克斯韦建立了电磁理论，认识到光是一种电磁波。1905年，德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

2 光电检测技术

光电检测技术即是利用基于光电效应原理的光电子器件件完成对一切能够引起光信号的变化的非电被测量进行检测，获取可识别的电信号完成对民用、工矿企业、军事等多领域对象的控制。

光电检测技术是结合了电子技术和光学技术两者特性的一种新型技术，具有精度高、反应快、非接触等优点，加之新光源、新光电器件的不断涌现，使光电技术重新焕发了青春，渗透到生产、生活的各个领域，成为遥控技术和信息传输技术不可或缺的重要技术，在检测和控制领域具有十分巨大的发展潜力。

3 新型光电检测的设计

光电检测技术的核心部件即是光电子器件，它包括三类元件：光电转换元件、电光转换元件及兼具二者特性的光电耦合器件，本文主要研究由第一类元件即光电转换元件构成的光电传感器检测线路。

一个完整的光电检测系统主要由光电变换（光电传感器）及信号处理两部分组成，简单地说就是由光路和电路两部分组成，其结构框图如图1。

光电传感器主要由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化（被测量的变化引起的光信号的变化可以是光源的变化、也可以是光学通路的变化、或者是光电元件的变化），然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号（电压、电流、电荷、电阻等）。

信号处理电路则是将传感器输出的信号滤除噪声和干扰并进行放大，使之成为可识别的的优化信号并对其存储、显示进而去控制被控对象。

在光电检测线路中，光电转换是它的关键核心。它决定着光电检测线路的灵敏度、精度、动态响应迅速与否等，常用的光电元件有基于外光电效应的光电管和基于内光电效应的光电二极管、光电三极管、光敏电阻等，本文采用PIN型光电二极管，整个光电检测系统由八部分组成，其结构如图2所示。

光电耦合器件是将发光元件和光敏元件合并使用，以光为媒介实现信号传递的光电器件。发光元件通常采用砷化镓发光二极管，它由一个PN结组成，有单向导电性，随正向电压的提高，正向电流增加，产生的光通量也增加。光敏元件可以是光敏二极管或光敏三极管等。光电耦合器件在这里作为电量隔离转换器，它具有抗干扰功能和单向传输功能，以利于紧随其后的光电转换元件接收有用的反映被测信号变化的光信号。

在本文设计的检测线路中，光电转换元件采用的是PIN型光电二极管。PIN型光电二极管也称PIN结二极管、PIN二极管，它是在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间掺杂一层浓度很低的N型区域，由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构称为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子.空穴对。在I层两侧是掺雜浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。因此，PIN二极管具有频带宽（可达10GHz）、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低等特点。

前置放大电路紧靠光电元件PIN二极管，及时对光电元件输出的微弱电信号放大，另外对光电元件输出信号的非线性性有一定的改善，同时使后置处理电路与光电元件之间的阻抗匹配。

滤波电路则是测量系统排除干扰，抑制噪声常用的方法。

差分放大电路又称差动放大电路，它的输出电压与两个输入电压之差成正比，能很好地放大差模信号又能很好地抑制共模干扰（如温度影响这一电子器件的共同弱点，以及背景光辐射等外部干扰）对测量系统的影响，提高了测量系统的灵敏度和线性度。本设计中采用差分式前置放大电路，其电路结构图见图3。

当然，该光电检测线路在一些细节上还需进一步完善，如在上述差分放大电路中采用双电源运放，在电源引入端串接小容量电容高频滤波，在R3端并接旁路电容等。

参考文献

[1]孙梅，高立兵，电子技术[M].山东：中国石油大学出版社，2014.

[2]陈晓军.传感器与检测技术项目式教程[M].北京：电子工业出版社，2014.