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光探测与放大

通过克里斯·弗朗西斯|2015年10月12日

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常见的传感器要求是测量光线。这可能用于调整显示器的亮度或用于仪器,其中精度是重要性,光线水平可能非常低。光可以是相对恒定的或缓慢变化,或者可以高速调制。有许多传感器可能性,包括带有内置数字接口的设备,但我将作为这里的基本设备,而不是使用加工电子的集成探测器。

光依赖电阻器

ldr的使用已经很大程度上消失了,因为它们中的许多都使用了镉,所以我会忽略它们!

光电二极管

最常见的光电探测器由光敏PN结组成。事实上,大多数PN结(如在晶体管或二极管中)是光敏的,只是它们通常被封装起来,否则就会对电路的运行产生不利影响。光电二极管可以是PN型或PIN型。PIN是P- intrinsic -N,在P型和N型之间有一个额外的未掺杂本征半导体层。与PN型相比,这通常提高了光电二极管的速度。

光电二极管可以用作光伏器件或电流源(当反向偏置时)。一种光电装置从入射光产生电压——太阳能电池。当使用反向偏压时,电流由入射光控制。反向偏置降低了光电二极管的电容,这在需要高速时很有用。例如,欧司朗BPW34在零偏置时有72pF的电容,在30V反向偏置时只有10pF,如下所示。

Light1

你需要确保任何后续的电路能够承受更高的电压或受到保护。以这种方式使用光电二极管,你可以简单地使用一个电阻连接到30V电源,光电二极管连接到适当的方式,并测量通过电阻的信号。

light2

这通常不是理想的,因为要获得合理的灵敏度,你需要一个高电阻,加上电容将使系统响应非常慢,特别是当电阻是几兆欧姆。

更常见的仪器电路是跨阻放大器(TIA)。这是一个电流到电压的转换器,这就是上面电路中的电阻器。然而,TIA对光电二极管表现出低阻抗,即使当电流电压转换比非常高。例如,下面的电路仅提供0.25欧姆的光电二极管,而提供1M欧姆的跨阻(电流电压转换比)。

Light3

在这种情况下,C1表示光电二极管电容,而光电二极管由电流源表示。没有显示漏电流或暗电流。

雪崩光电二极管(adp)

雪崩光电二极管是一种专门的光电二极管,在实际光电二极管连接到放大器或电阻负载之前,它就提供了光电流的放大。这对极低电平信号非常有用,与普通光电二极管相比,它的信噪比可以提高100倍或更多。缺点,除了成本,是他们需要一个高电压运行-高达500V -和“放大”取决于运行电压,他们需要非常接近反向击穿为高放大。击穿电压不是固定的,但随温度变化很大。处理这些问题会增加系统的成本和复杂性。然而,在使用传统光电二极管的信号比噪声低的系统中,它们决定了系统是否正常工作。

light4

典型滨松APD的增益与反向电压如图所示。值得注意的一个重要的一点是有“多余的噪音”增加了噪声在上面的光电二极管的增加对于一个给定的信号增益(或放大)所以最优增益不一定是最高的,特别是如果有一个恒定的光级小调制信号叠加。持续的光,可能来自环境光或杂散光,增加噪音,即使没有调制信号存在。在这种情况下,你可能会发现最佳增益只有10到30。

光电倍增管

一种特殊的器件,比APD增益更高,但需要更高的电压和更高的成本。它们是相当老式的“真空管”设备,但在信号非常低的地方仍然有它们的位置,例如一皮瓦或更低。

其它探测器

还有其他用于特殊应用的光电探测器,如单光子apd (sapd)和微通道板。

硅,InGaAs或其他材料

半导体光电探测器是由多种材料制成的。硅是最常见的近红外到紫外线(UV)探测,包括可见光区域。在高速光纤通信中,InGaAs将是较长的波长(1100nm至1600nm)的典型代表。对于更长的波长,需要使用更复杂(也更昂贵)的材料。硅是最便宜和最常见的蓝色和紫外线增强版本,可以更高的成本。

电力电子的技巧


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