一种提高光电二极管动态范围的装置

1.本实用新型涉及一种提高光电二极管工作动态范围的技术，尤其一种既能增加光电二极管的动态范围，又不牺牲它的放大作用，两面兼顾，而且这种电路还能滤除缓变（低频）光强的影响，从而使因周围光线变化而引起的种种问题大大地减少。


背景技术：

2.光电二极管常用作光探测器，这种装置包含一个p
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n结，并且通常在n和p层中间有一层本征层，具有本征层的装置称为pin型光电二极管，耗尽层或者本征层吸收光后产生电子
‑
空穴对，它们对光电流有贡献，在很大的功率范围内，光电流都是与吸收光强严格成正比的。
3.光电二极管的伏安特性曲线如图1所示，光电二极管可以在下面两个不同的模式下工作：1）光伏模式：类似于太阳能电池，可以测量受光辐照的光电二极管产生的电压，但是，电压与光功率之间的关系是非线性的，并且动态范围比较小，而且也不能达到峰值速度，如图1曲线的第一象限。
4.2)光电导模式：这时二极管上施加反向电压（即，在该方向的电压下如果不存在入射光的情况下二极管是不导电的），然后测量得到的光电流，其实光电管端电压保持电压接近于0就足够了，光电流对光功率的依赖关系是非常线性的，其大小比光功率大六个数量级或者更多，例如，对于有源区为几个mm2的硅p
‑
i
‑
n光电二极管来说后者从几纳瓦到几十毫瓦，反向电压的大小对光电流几乎无影响，对暗电流（没有光时）的影响也很弱，但是电压越高，响应越快，并且装置加热也越快，如图1的第三象限所示。
5.常见的负阻抗放大器通常用于光电二极管的光电流的预放大，这种放大器保持电压为常数（例如，接近于0，或者一些可调节的负数），这样光电二极管就工作在光电导模式，一般负阻抗放大器的增益较大。
6.目前正在应用或市场上可以购买到的许多光通信用模块电路都采用调制光信号的方法来传送信息，然后通过光纤或直接红外线传送到终端，终端所用的光接收器一般均由一个或几个光电二极管组成。
7.在这类装置中，保证光电二极管的动态范围是非常重要的，然而，光电二极管的动态范围的增加，会使其灵敏度下降许多，光电二极管的另一个缺点是它对周围环境的光线强度的变化非常敏感。
8.比如，当探测光功率较小的输入光时，由于信号信噪比低，信号会淹没在噪声中，无法准确探测到有用信号；或者在探测光功率较大的输入光时，由于跨阻增益较大，可能会造成信号的饱和失真。
9.再举一例，红外线通信是一种利用红外线传输信息的通信方式，但白炽灯泡也能被称为红外光源，白炽灯可以把它75%的电能都转化成红外辐射光，因此也可以把它叫做红外光源，但因为白炽灯辐射出的红外辐射都被它外面的玻璃壳吸收掉了，所以呈现出来的红外线光并不多，所以说它是一种接近红外光线的光源，这种并不多的红外光与终端光电
管接收的有用红外光信号相比强度并不小，这种不请自来的光线大大影响光接收器的灵敏度。
10.故照明光线对光电管的影响不可忽视，如何过滤这些类红外光信号同样是个需要解决的问题。
11.设计一种电路，既能增加光电二极管的动态范围，又不牺牲它的放大作用，两面兼顾，而且这种电路还能滤除缓变（低频）光强的影响，从而使因周围光线变化而引起的种种问题大大地减少。


技术实现要素：

12.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的可以提高光电二极管工作动态范围的技术。
13.为实现上述目的，本实用新型提供一种提高光电二极管动态范围的装置，其包括+12v供电电路、光电二极管电路、共射极放大器电路、基极偏置电路、积分电路、同相比例运算电路；所述共射极放大器电路由晶体管t1、所述基极偏置电路电阻r1、r2构成，所述+12v供电电路依次通过所述光电二极管电路d1、晶体管t1的c
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e极连接工作地，晶体管t1的集电极依次通过电阻r1、r2连接t1的基极，所述积分电路由电阻r1、电解电容c1构成，晶体管t1的集电极依次通过电阻r1、正向电解电容c1连接工作地，所述同相比例运算电路由理想运放n1、电阻r4、r5构成，晶体管t1的集电极通过输入电阻r3连接运放n1的反相输入端，运放n1的输出端通过电阻r4连接运放n1的同相输入端，运放n1的同相输入端通过电阻r5连接工作地，运放n1的输出端即为放大以后的有效信号。
附图说明
14.附图1、附图2、附图3用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，附图1 是光电二极管的伏安特性；附图2是提高光电二极管动态范围电气原理图；附图3是进入光电管的平均光强信号示意图。
具体实施方式
15.提高光电二极管动态范围的电气原理
16.为了提高光电二极管的动态范围，可以采用如图2所示的电路，这种电路通过引进负反馈的方式，提高了光电二极管的动态范围，且由于低频滤波器的存在，缓变的光强（如照明光线）通过光电管产生的电压信号可以被滤波器滤除，正常光线信号（较高频率）通过光电管产生的电压信号可以直接通过放大器、不受滤波器和反馈电路的影响，如图2所示。
17.从图2可以看到，该设计包括+12v供电电路、光电二极管电路、共射极放大器电路、基极偏置电路、积分电路、同相比例运算电路。
18.图2中，光电二极管d1反接于供电电源与放大电路之间，所以其工作于光电导模式，在这种模式下，从图1可以看出，光电管在反压下受到光照而产生的电流称为光电流，光电流受入射照度的控制，照度一定时，光电二极管可以等效成恒流源，照度越大，光电流越大，在光电流大于几十微安时，与照度成线性关系，这种特性可广泛应用于遥控、报警、及光电传感器中。
19.利用共射极放大器提高光电二极管的动态范围
20.图2 电路的工作原理比较简单，如果没有光照的话，反接的光电管d1产生反向电流，称为暗电流，通常小于0.2ua，其伏安特性处于图1所示的第一象限，0.2ua的暗电流不可能使晶体管t1的基极产生开启电压，t1截止，t1的集电极没有电信号输出。
21.其实，由于晶体管t1的基极没有交流信号输入，故由t1构成的共射极放大器可以看成一个由光电管产生的光电流供电的直流共射极放大器。
22.当被调制的微弱光线进入光电二极管d1时，光电管产生一微弱光电流，电流的大小与光线强度呈正比，光电流通过电阻r1向电解电容c1充电，充电电压通过电阻r2在晶体管t1的基极产生启动电压，对地形成启动电流，如果光电流比较小，晶体管t1处于临近饱和状态。
23.同时，该微弱电流可以通过积分电路r1/c1将变化的电流转换成电压的变化，故微弱的光信号形成的微弱电压信号仍然可以从t1的集电极输出，最后经运放n1及反馈电阻r4构成的同相比例运算电路放大输出，对外表现就是光电管的动态范围在低端是比较理想的，而且灵敏度并没有下降。
24.当进入光电二极管的光线强度逐渐增大时，光电流增大，图1所示的伏安特性曲线逐渐下移，它们分布在第三、四象限内，在反向电压的一定范围内，即在第三象限，特性曲线是一组横轴的平行线。
25.随着光线强度的逐渐增大，t1的基极电压逐渐增大，在某一瞬间t1处于完全饱和导通状态，光线继续增强，通过t1的集电极
‑
发射极的电流也增加，就能把此过大的光电流短接于地，由于调制光信号的强度与信号的保真度没有直接的关系，故强度过大的光信号产生的过大光电流被处于饱和状态的t1分流一部分，这种电路结构不但不会影响被调制信号的准确解调，而且同样不会造成后级放大电路的饱和失真。
26.对外表现就是光电管的动态范围在较高端仍然是比较理想的，而且灵敏度并没有下降。
27.在光纤通信中，10gbit／s的光传输系统，采用的是强度调制、直接检波方式，强度调制是在发送端用所传的电信号去改变光信号的强度，直接检测是指在接收端用光检测器把光波变为原来的电信号，它结构简单，易于实现光发收器；40gbit／s波分复用系统采用的是相位调制、差动检波方式的 dqpsk 调制方式，该方式能提高频谱利用率，
28.如果进入光电管d1的光线强度迅速波动变化（照明灯光的频率为50hz），说明该光信号为发送端调制的有效信号，由电阻r1以及电容c1组成的积分电路，其中的电容c1由于光电流波动太快从而来不及充电或充电不足，晶体管t1这时呈现高阻抗，有效的光电流信号经电阻r1将电流的变化转换为电压的变化u
x
在x点直接输出，经同相比例运算电路放大输出。
29.以上种种表现，实际上都意味着光电二极管动态范围增加而放大作用没有降低。
30.另外，可以理解图2的y点的信号u
y
即电容c1的正极电压并不与光的强度成正比，但是能用来检验进入光电管d1的平均光强的变化，由图3所示的x信号与y信号对比图可以发现，当进入d1的光强超过平均光强（相当于被调制的有效光信号的强度）的时候，y信号u
y
为高电平，晶体管t1导通，u
x
信号超过平均光强的部分被t1短路到地；如果进入光电管的光强小于等于平均光强，u
y
信号为低电平，晶体管t1截止呈高阻，u
x
信号呈高电平。
31.高输入阻抗的同相比例运算电路
32.运放n1的型号是ca3140，是一款高输入阻抗运算放大器，它结合了压电pmos晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点。
33.由晶体管t1以及积分电路将光电流的变化转换为电压的变化u
x
信号，这个微弱的电信号通过输入电阻r3进入运放n1的同相输入端，n1的输出端通过电阻r4引入电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，运放n1与反馈电阻r4构成一个同相比例运算电路，放大后的输出信号由以下公式求出：
[0034][0035]
2 调试与注意事项
[0036]
在实际应用中，对图2电路的功能，滤除缓变（低频）光强的影响，大大减少因周围光线变化而引起的种种解调的问题，可以这么理解，比如工频照明灯光在50hz是被调频的，但却不能把它视为一种有效的调制信号，而应将其作为干扰信号，设法将其清除。
[0037]
电路的参数可以这么设计，电容c1的容量至少应为1.5uf，当容量取此值时，电路从高通到低通的切换点约频率为50hz，恰好是照明光线的频率；如果电容c1取图2中所示的10uf时，切换频率约为7hz。
[0038]
在实际的光通信设计中，该结构显得过于简单，但至少提供了一种思路，而且思路是合理、有效、准确的，在高校关于电路教学或光通信的教学中仍然有一定的价值。