高速微型光电检测电路设计

摘要：本文分析了高速微型光电检测电路具体项目的技术要求，提出了电路设计的功能及技术指标，合理地选择了满足快速性要求的电路结构和满足电气性能与物理性能要求的元器件，设计了精简的二级三极管光电放大电路。通过测试，电路性能指标满足项目的需要。

引言

现代技术的发展越来越系统化和标准化，同时，实际工程对技术的需求变得越来越多样化和个性化。对于检测技术也是这样，标准化的展品越来越难以满足个性化的现实需求，而定制产品可以更好地满足某些个性化的工程需求。

1 性能要求

在某项目中，通过对项目需求的挖掘分析，提出了光电检测前端的功能要求及技术指标。要求光电检测的线性阵列的响应周期时间为11μs ~ 22μs，上升时间不大于10ns，阵列中每个光电检测单元的中心间距不大于2mm。

2 分析

在光电检测中，常用的元件有CCD(电荷耦合元件)、PD(光电二极管)、PT(光敏三极管)和APD(雪崩光电二极管)。其中，CCD由于信号串行输出，响应速度很慢;PT的响应时间为10μs级;PD的响应时间为10ns级，而且价格比较便宜;APD技术性能优异，但价格昂贵，物理尺寸大，很难做成规模较大的精密线阵。

硅光电二极管PD通常是用在光电导工作模式下。在无光照射条件下，若给PN结加一个适当的反向电压，则反向电压会加强内建电场，使得PN结空间电荷区拉宽，势磊增大;当PD被光照射时，在PN结区产生的光生载流子将被加强了的内建电场拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，于是形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。光电流比无光照时的反向饱和电流大得多。相同条件下，光照越强，产生的载流子越多，光电流就越大。硅光电二极管PD的等效电路如图1。

为提高设计效率，采用自下向上的模块化方法。把一个硅光电二极管及其放大电路设计为一个基本单元电路，再把多个单元电路设计为一个光电检测线性阵列。

3 元件选择

通过分析项目约束，选择硅光电二极管PD15-21B。PD15-21B的数据手册的关键参数如表1所示。

硅光电二极管PD15-21B的有效感光面积为0.3mm²×0.3mm²。另外，硅光电二极管PD15-21B的电流-光照特性是显著线性的，伏安特性的线性也较好，过度时间短，温度漂移也较小。

所以硅光电二极管PD15-21B是理想的红外光检测元件，满足项目的技术要求和经济性要求。

放大电路的设计，既要满足电气性能要求，也要满足物理性能要求。常用的有运算放大器放大电路和三极管放大电路。对于运算放大器放大电路(如图 2所示)而言，一般的运算放大器的截止频率太低，难以与光电二极管PD15-21B的上升时间和下降时间匹配，供电、外形尺寸和价格都较难满足工程要求，所以无法使用。

对于三极管放大电路，由于三极管的放大倍数有限，所以单级放大电路难以输出标准的电平供后续电路进行逻辑处理。所以采用两级三极管放大电路较为合理。

选择Philips Semiconductors生产的BCM847BV双NPN三极管，其单管的直流放大倍数典型值为250(V_CE = 5 V; I_C = 10 μA)，截止频率典型值为250MHz(最小值为100MHz)，双管为SOT666封装，外轮廓线最大为1.7mm²×1.7mm²。

4 电路设计

用硅光电二极管PD15-21B作为敏感元件，BCM847BV作为放大元件，构成的光电检测电路如图3所示。当PD未被激光束照射时，T1截止，T2基极正偏，T2导通，输出Vo为低电平;当PD被激光束照射时，T1导通，T2基极反偏，T2截止，Vo输出为高电平。

本单元电路在项目中所构成的光电线性阵列前端，其中横向阵列局部的PCB板图如图4所示。每一个单元电路的宽度为2mm。

5 实验

一个宽度为9mm的遮光器，以200m/s的速度遮断照射一个单元电路的PD15-21B的红外激光束，并测试放大电路的输出。此实验相当于在PD上形成一个宽度为44.8μs，上升时间和下降时间均为1.5ns的暗光脉冲，经过光电转换、放大和计算，期望的理想输出一个宽度为44.8μs，上升时间和下降时间均为1.5ns的高电平脉冲。放大电路的输出波形(根据示波器波形绘制)如图 5所示。放大电路的性能指标如表 2所示。

实测波形前沿比较陡峭，上升时间为6ns，完全满足10ns的要求。脉冲宽度与设想一致。输出高电平为5V，低电平近似0V，非常理想，适合后续电路并行处理。

6 结论

用硅光电二极管PD15-21B作为敏感元件，BCM847BV作为放大元件，构成的光电检测电路精简、灵敏度高、过度时间短且输出TTL电平的物理尺寸非常小，所构成的线性阵列电路性能指标完全满足项目的要求。

参考文献：

[1]许卫春,徐可欣,贺忠海.光电测试系统的性能分析[J].传感技术学报:2004,12(4).

[2]曾光宇,张志伟,张存林.光电检测技术(第2版)[M].北京:清