基于pin光电二极管的光功率计设计.pdf

哈尔滨理工大学工学硕上学位论文基于PIN光电二极管的光功率计设计摘要光功率计是检测光信号功率大小的一种仪器，是光测试仪器中常用基础设 备，广泛应用于光纤通信、生物医学等高新技术领域。目前，国内所开发的光 功率计所采用的光电探测器主要有光电倍增管和光电池，采用光电倍增管的光 功率计，工作电压高、环境因素影响大，而采用光电池的光功率计由于受到暗 电流的影响，误差较大。显然，对于现场工程应用，采用以上两种光电探测器 的光功率计存在明显的缺点。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器的广 泛研究及开发，其在对光信号的检测上，不仅检测精度有所提高，而且受工作 环境因素影响较小，所以在本设计中以PIN光电二极管作为光电探测器，设计了 一款钛对现场工程应用的光功率计。要测得准确的光功率值，需获得PIN光电二极管的光谱响应度值和光生电流 值，本文利用半导体基本方程中的载流子连续方程，对PIN光电二极管的光电转 换过程进行分析计算，推导出了该光电二极管的光谱响应度关于入射光波长的 函数；PIN光电二极管的光生电流可经电流/电压变换，转换成电压值，通过对 电压值的测量来获得PIN光电二极管的光生电流值。在本光功率计的设计上，首先，采用了对数放大器进行电流/电压变换及放 大；然后，为了满足后续A/D转换精度的要求，设计了相应的电压信号调理电路;最后，从光功率计的成本上考虑，采用了以高性价比的STC12c5A60s2单片机 为核心器件，搭建了硬件系统，并完成了系统软件的编写。实测结果和使用情 况表明：本光功率计成本低、灵敏度好、性能稳定、便于携带，基本满足现场 工程应用的要求。关键词 光功率计；PIN光电二极管；光谱响应度；对数放大器哈尔滨理工大学工学硕士学位论文Design of Optical Power Meter Based onPIN PhotodildeAbstractOptical power meter is an instrument that detected the light signal power,it is commonly used in optical test equipment,widely used in optical fiber communication,biomedical and other high-tech fields.At present,the domestic development of optical powar meter used in photodectric detector photomultiplier tubes and photocells,the disadvantage of the photomultiplier tube for the photodetector optical power meter is high operting voltage and affected by the ervironment.However the power meter using photovoltaic cells due to the influence of the daric current,the error is larger Obviously;optical power meter exist obvious shortcomings for field engineering.In rencent years,with research and development of the new photodetector,such as PIN photodiode in optical signal detection,not only the detection accuracy is better than photovoltaic cells,and lessaffected by the work environment factors.In this paper,the PIN photodiode as a photodetector,designed a power meter for field oigineering 呼plications.lb obtain accurate optical power value,need to obtain the spectral responsivity of the PIN photodiode and the photocurrait value.In this paper,the carrier continuity qmation in the basic equations of semiconductor analysis and calculation of the photoelectric conversion process of the PIN photodiode,deduced function of the spectral responsivity of the photodiode on the wavelength of incident light.The photocurrent of the PIN photodiode I/V conversion,to convert the voltage value,by measuring the voltage value to abtain the value of the photocurrent of the PIN photodiode.In the design of the optical power meter,first,using a logarithmic amplifier I/V conversion and amplification;Second,in order to meet tiie requirements of the follow-up A/D conversion accuracy,design the corresponding voltage signal conditioning circuits;Finally,consider the cost from the power meter,using cost-effective STC12C5A60S2 series microcontroller as the core device,built-11-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文hardware systems,and completed the preparation of the software.Experimental results shows that the light power meter is low cost,fine sensitivity,stable performance,easy to carry,and basically meet the requirements of the field engineering applications.Keywords optical power meter,PIN photodiode,spectral response degrees,ogarithmic amplifier-tn-哈尔滨理工大学工学硕上学位论文目录I摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1 研究的目的与意义.11.2 国内外现状分析.21.2.1 光功率计国内外现状分析.21.2.2 PIN光电二极管的发展现状.31.3 主要研究内容.4第2章 光功率检测的理论基础及PIN光电探测器的噪声分析.52.1 光功率检测的理论基础.52.2 PIN光电探测器模块.6221 PIN光电二极管工作原理.62.2.2 PIN光电二极管的性能参数.923 PIN光电探测器的噪声分析及相应的降低噪声措施.1023.1 PIN光电探测器的噪声分析.10232 PIN光电探测器的降低噪声的相关措施.112.4本章小结.12第3章PIN光电二极管的光谱响应度计算.133.1 光谱响应度的模拟计算公式推导.133.2 Si-PIN光电二极管的光谱响应度曲线.173.3 光谱响应度拟合曲线的试验验证.183.3.1 实验方案.18332光谱响应度的实验数据处理.193.4 本章小结.20第4章光功率计的硬件和软件设计.214.1 光功率计的总体设计框图.214.2 系统低功耗设计.214.3 光功率计硬件电路设计.224.3.1 信号调理电路.22哈尔滨理工大学工学硕士学位论文4.3.2 A/D转换电路.244.3.3 单片机模块.25434电源管理.264.3.5 单片机外围电路设计.284.4 光功率计的软件设计.314.4.1 光功率计系统主程序.314.4.2 按键处理任务.324.4.3 A/D转换任务.324.4.4 数据处理任务.344.4.5 LCD显示任务.354.5 本章小结.35第5章光功率计调试及性能测试.365.1 光功率计调试.365.2 光功率计准确度测试.375.2.1 准确度试验.375.2.2 光功率计误差分析.395.3 光功率计性能测试.395.3.1 线性度试验.395.3.2 其他性能测试.425.4 本章小结.45结论.46参考文献.47攻读硕士期间发表论文情况.50致谢.51哈尔滨理工大学工学硕上学位论文第1章绪论1.1 研究的目的与意义光电检测技术已深入到各个科技领域，是现代科学技术中最重要的方面之 一。随着现代科学技术在工业、农业以及军事等领域的深入发展，要求光电检 测技术和测量仪器也必须同步发展起来，所以电子测量行业将面临着一个不断 更新、不断扩展的广阔市场“幻。在光电检测，技术中，对光功率的检测广泛应用于光纤通信、及光学实验等 领域。在光纤通信领域，由于光纤系统中的各部件在安装后都会产生插入损耗 量，从而引起光信号的衰减，导致传输信号失真，为了使光纤传输的光信号达 到传输指标，必须对光缆中的光信号的传输进行功率衰减量的检测；在光学实 验领域，往往需要光功率的检测设备来对实验性激光进行光功率值的检测，以 评估光源的稳定性叫而光功率计作为测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率 相对损耗的仪器，是光纤通信及光学实验等领域中测试光功率值、光衰减量常 用的基础设备。进入21世纪以来，随着我国“信息高速公路”的建设，光纤应用技术得到 飞速发展，光功率计的市场需求量猛增，特别是适用于现场工程应用，性能稳 定、便于携带的光功率计。目前，国内所开发的光功率计所采用的光电探测器 主要有光电倍增管及光电池。对采用光电倍增管的光功率计，虽有检测精度的 优势，但工作电压高、环境因素影响大，而采用光电池的光功率计，虽有较好 的灵敏度，但由于受到暗电流的影响，误差较大。显然，对于现场工程应用，采用以上两种光电探测器的光功率计存在明显的缺点。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器广泛的研究及开发，其在对 光信号的检测上，不仅检测精度优于以光电池作为光电探测器的光功率计，而 且受工作环境因素影响较小，所以在本设计中以PIN光电二极管作为光电探测 器，并结合现代微处理器技术，设计一款适用于现场工程应用等方面，具有适 用波长范围宽，成本低，灵敏度高，性能稳定，便于携带的光功率计。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文1.2 国内外现状分析1.2.1 光功率计国内外现状分析随着科学技术的发展，光功率计的发展越来越快，特别以波长覆盖，量程 范围和测量精度等方面越来越受到国内外各设备制造商的重视区久目前，国内 外的功率计的各设备制造商都有相关的产品上市，国外以日本安腾公司、美国 AVO公司、美国安捷伦Agilent公司等作为代表；国内同以珠海华普公司、北 京捷康特公司、上海光维GRANDWAY公司、天津德力DEVISER公司、陕西 硅谷通信公司为代表等。现将国内外几家具有代表性的公司的相关产品主要技 术指标列成表格，如表M所示。表14光功率计比较表Table Table of 收 optical power meter指标生产厂第、类型校准波K_(nm)_测量范围(dBm)显示分辨率(dBm)日本安腾便携式_ 850、1100 _-70-+100.01美国安捷伦E4418B台式650、850、1100、1310-110-+200.001北京亚中便携式1310-60-+100.01陕谷SGT-5C0掌上型1310、1550、850、1300-7人+10或-5以+270.01深圳朗光台式1310、155072+100.001珠海华普OTP300-T便携式1310、1550-70-+60.01从表1“可以看出，台式光功率计不管在测量范围，还是在显示分辨率方 面都超过了便携式一个数量级。而通过市场价格来看，国外的进口产品大都在 几万元左右，美国安捷伦Agilent的高新能光功率计E4418B市场价达更是达到 38900元，国内产品价格也不便宜，如陕谷SGT3coi便携式稳定光功率计市场 价为9800元，就连便携式光功率计的市场一般也在5000元左右，如珠海华普 OTP300.T便携式光功率计市场价为6380对于功能稍微强一些的或者指标稍微 好一点的产品甚至达到10000元以上0n除了价格较高外，现在市场上的大部 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文分光功率计只能针对校准波长上的光信号进行检测，应用面窄，并适合现场工 程应用。目前，光功率检测原理主要分两种，一种是热转换型方式，以低温辐射计 为代表，其原理是利用黑体吸收光功率后温度的升高来计算光功率的大小也早 在20世纪60年代初,美国国家最高计量技术机构NIST就曾建立过低温辐射计 的相关标准，到目前为止，美国的低温辐射计的测量水平为：测量波长范围为 400nm2000nm,功率测量范围为10pWlmW,不确定度为0.230.5%,所以 这种检测的特点是对光辐射的波长无选择性，但这种测量方法的成本高，并且 受环境影响因素较大幽；另一种是半导体光电检测方式，利用光电效应来实现 对光功率的测量，目前市场上的大多数光功率计采用这种检测方式也。对于半 导体光电检测方式，由于选用的光电探测器的不同，又有不同的检测方法，常 用的检测方法如下。1.以光电倍增管作为光电探测器的光功率检测方式，以光的量子效应作为 理论基础，例如以美国安捷伦公司的台式系列光功率计，测量波长范围20(*1200nm,由于光电倍增管的二次发射倍增系统，具有很高的光子计数能力，具 有高灵敏性，极高响应时间和较高的测量精度，但是由于受到工作电压、外部 磁场及外部振动等因素的制约，一般作为台式光功率计的检测方法2.以光电池作为光电探测器的光功率检测方式，其以光伏效应作为理论基 础，美国Scientech公司Astral系列便携式光功率计就是采用光电池作为光电探 测器，可以对2(X21100nm范围内任意波长的光信号进行测量，光电转换效 率最高为30%,优点是具有很宽的波长频带及灵敏度，缺点是由于存在暗电流 及转换效率低下的影响，对光功率的影响较大，适合对大功率光信号的测量。久3.以PIN光电二极管作为光电探测器的光功率检测方式，其工作原理也是 光伏效应。清华大学的高建军等人通过对PIN光电探测器等效电路模型的研究，给出了适用于线性信号及噪声分析的PIN光电二极管的等效电路，通过对该等 效电路的分析可知，PIN光电二极管适合低频光信号的精确测量1.2.2 PIN光电二极管的发展现状目前，国内外在PIN光电探测方面对400nm1800nm的可见光到红外波段 已有比较深入的研究，对不同半导体材料制造的PIN光电二极管各个性能指标 已有详细的测量。常用PIN光电二极管有：硅基PIN光电二极管(Si-PIN)sm、倍基PIN光电二极管(Ge-PINp叫钢碎化像基PIN光电二极管(InGaAsPIN)【g物。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文各自的性能指标如下表12：表l-2Si、Ge、InGaAs-PIN的性能参数Table 1-2 SiGe、InGaAs-PIN performance parameters材料响应波长(nm)响应度峰值(A/W)响应时间(ns)Si-PIN4001100_ 0.6_0.5T.0Ge-PIN800-1650_05_0.1-0.5InGaAs-PIN1100-17000.90.050.5由表可知，PIN光电二极管由于材料不同，响应波长也有所不同，可根据 被测光信号的波长来选择相应材料的PIN光电二极管，对Si-PIN光电二极管，由其各个参数可知，可作为可见光及近红外激光的光电探测器，对Ge-PIN光电 二极管，由其响应应时间短，可作为红外波段，大功率高速光信号的检测，对 InGaAs-PIN光电二极管，由其响应度高，相应时间短，可作为高速光探测器用 于红外波段的微弱光信号的检测。13主要研究内容本设计中以PIN光电二极管作为光电探测器，设计一款具有适用波长范围 宽，成本低，灵敏度高，性能稳定，便于携带的光功率计，可广泛适用于现场 工程应用。本文主要研究内容如下：1.对光功率检测理论基础进行分析，选择PIN光电二极管作为光探头，并 通过对PIN光电二极管的工作原理的分析，选择与其匹配的工作电路，并进行 降低噪声处理。2.利用半导体基本方程中的载流子连续方程通过对光电转换过程进行分析 计算，推导出光谱响应度与入射光波长的函数，并通过相应实验验证该函数的 准确性。3.以成本低，灵敏度高，性能稳定，便于携带为原则，来设计本光功率计 的软硬件系统。硬件部分包括对数放大电路、滤波电路、16位A/D转换电路、电源管理模块电路、单片机模块及相应的外围功能模块。为实现单片机对各个 模块的实时数据处理及控制，完成相应的系统软件设计。4.对光功率计各个模块进行调试，系统软件调试，以及光功率计相关性能 测试实验，以达到仪器预期性能指标。-4-哈尔滨理工大学工学硕上学位论文第2章 光功率检测的理论基础及PIN光电 探测器的噪声分析2.1光功率检测的理论基础本设计中采用光电检测方式来实现对光功率的检测，这种检测方式基于光 电效应，所谓光电效应，就是物质的内部电子在光子作用下发生状态改变】。光电效应一般可分为外光电效应和内光电效应，外光电效应是指光电子在 光子的激励下，可以从物质内部逸出的现象。利用外光电效应制成的光电探测 器主要有光电倍增管田。但是在实际应用中由于光电倍增管受工作电压要求高、受电磁环境及外界振动因素影响大、且暗电流较大，在本设计中并不适用；与 之相应的，内光电效应就是电子不逸出材料表面网。内光电效应又可分为光电 导效应、光伏效应和光磁效应，而对光功率计而言，一般只用到光电导效应和 光伏效应。L光电导效应光电导效应是指在外电场作用下，通过吸收光子能量而成 为自由态的电子在半导体内形成电流，从而使半导体的电导增大。在这种模式 下，需给光电探测器加反向偏置电压，存在暗电流，由此会产生较大的噪声电 流，有非线型性，通常应用在高速场合。代表光电元件主要有雪崩光电二极管(APD),由其原理可知，APD在工作过程中，其载流子雪崩式的倍增，致使电流 急剧增加，所以具有内增益，这样可降低对前置放大倍数的要求，并且灵敏度 高，但却需要很高的电压，此外APD特性受环境温度的影响较大。所以在本设 计中并不适用mm。2.光伏效应光伏效应是半导体材料的“结”效应，也就是说，当入射光 激发出电子空穴对时，内部电势垒将把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成 电荷堆积，形成光生电势。在这种模式下，光电检测器处于零偏置状态，不存 在暗电流，具有较低的噪声，线性度好，适合于比较精确的测量。在本设计中 采用了光伏效应作为本设计的检测原理。光电元件主要有光电二极管及PIN光电 二极管网27。本设计采用了 PIN光电二极管作为本光功率计的光探测器。利用PIN光电 探测将光功率信号转换成电流信号，为表征光功率信号与电流信号的关系，引 哈尔滨理工大学工学领土学位论文入了光谱响应度的概念，光谱响应度反映光电二极管将光信号转换为电信号的 能力，定义为在电路产生的光电流4与入射光功率尸的比率，一般由火来表示,单位为A/W,即氏=。(2-1)由上式可知，可利用光谱响应度这个比例关系来通过测量光电流的值来得 到入射光功率值，这是本设计成立的理论基础网。2.2 PIN光电探测器模块光探测器是光功率计实现光电转换的关键器件，其性能特别是响应度、响 应时间和噪声等参数直接影响本光功率计的灵敏度，在本设计中采用PIN光电 二极管作为光电探测器。2.2.1 PIN光电二极管工作原理在普通PN光电二极管的基础上，为增大耗尽层的宽带，减小扩散运动的 影响，在PN结间掺入一层浓度很低的本征半导体材料，也就是所谓的I层，以 这种结构称为PIN光电二极管取图2-1为PIN光电二极管光电转换示意图。对无光照射时，半导体材料由 于热效应影响，在PN结上将有微弱的暗电流产生。在有光照射时，PN结空间 电荷区的宽度加大、势垒增高，使流过P-N结的电流骤增。图2-1 PIN光电二极管光电转换示意图Fig.2-1 Schemes diagram of the Photoelectric conversion of the PIN photodiodePIN光电二极管工作电路可等效为一个二端网络，其等效电路如图2-2所示。-6-哈尔滨理T大学工学硕士学位论文虚线框内为PIN光电二极管等效电路模型，由普通光电二极管D、结电阻几、结 电容Cd和光信号产生的光电流源4组成。，d八 八，Rd dJE i/d&cdY4&图22光电二极管光伏效应的等效电路Fig.2-2 Equivalent circuit of photoelectric diode photovoltaic effects根据二极管PN结的电流方程，二极管D两端所加电压与流过它的电流 4的关系为4=/。(。必附一1)(2-2)式中/o二极管的反向饱和电流，A；q-电子电荷，C;k-玻尔兹曼常数；T-热力学温度，Ko通过负载电阻上的电流人为.=/pKW-“-人(公+凡”&(2-3)由式(23)可知光电二极管接收光照射时输出电流人和光生电流4并非是线性关 系，而是指数关系。当输出短路时，及小为零时，考虑到很小，上式可简化 为人=4一/。卜*-1)(2-4)保持人凡夕/打时，可得到人=4。即输出电流近似等于光生电流，也就是 说，线性响应好。因此使用光电二极管进行光功率测量时，应在输出虚短的状 态下工作。PIN光电二极管在光电检测电路中一般具有两种连接方式，一种是工作在 反向偏置电压状态(如图2-3a所示),即在PIN光电二极管两端加上反向偏置电-7-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文压，这时PN结耗尽层加宽、势垒增大、结电容减小，这些有利于提高光电二 极管的高频响应性能，但是在外电压的影响下，光电二极管将产生一个很小的 暗电流，从而影响到线性变化；另一种是工作在无偏压状态（如图23b所示），即零偏压状态，没有暗电流，但高频性能不佳。针对本设计的低频微弱光信号 故采用零偏置的工作模式网。P 区 NIX PR N 区o o o o Q o o Q IQloFQ o 10lp 10I oooooool.QPN结耗尽层O OQlOQ(QIQQ O pOiOO Q 00,00|加宽的PN结耗尽层-CD-a)-CZZFb)图23光电二极管两种工作模式Fig.2-3 Two operating modes of photodiode一般在光电检测电路中采用电流/电压转换（即I/V变换）电路作为PIN光电 二极管的前置放大电路。采用零偏置的电流/电压变换基本等效电路如图2d所o图24 I/V变换基本等效电路Fig.2-4 Basic equivalent circuit of the I/V transformPIN光电二极管的光生电流为人，在等效电路中，放大器输入端电阻近似 无限大，所以反相输入端输入的电流为零，则R(2-5)-8-哈尔滨理T大学工学硕士学位论文在等效电路中UU-=-IrR(2-6)又因为放大器的正反相端电压u.=u_=o,即U=T,R(2-7)由式(2-7)可知，输出信号q与光生电流成线性变化关系，这样就解决输出信号 线性响应问题。2.2.2 PIN光电二极管的性能参数光电探测器一般都是围绕光电探测器性能来进行设计的，PIN光电二极管 的性能一般可由光谱响应度、暗电流、响应时间及线性度等参数来表征。1.光谱响应度光谱响应度反映光电二极管将光信号转换电信号的能力，定义为在电路产生的光电流与入射光功率P的比率，一般由R来表示，单位 为A/W,即R=S(2-8)由式(2-8)可知，可利用光谱响应度这个比例关系来通过测量光电流的值来得到 入射光功率值。2.暗电流PIN光电二极管在没有入射光的情况下，加反向偏置电压或受温 度漂移的影响将有一个很小的电流输出，即为暗电流。在本设计中由于采用了 零偏置电压的工作模式，所以只需考虑温度漂移的影响网刈。3.响应时间PIN光电二极管的响应时间由输出脉冲上升时间。来衡量，一 般两个因素决定，一是探头的时间常数匕由探头的总电容大小和负载阻抗值来 决定；再是光电二极管的电荷收集时间，电荷在耗尽层产生并漂移到电极上所 需时间，大约几纳秒。如果r很小，探头的响应速度主要由光电二极管的电荷 收集时间决定。本设计所选用的PIN型光电二极管具有很低的结电容，高速光 电响应，其输出脉冲上升时间4约为10ns”现。4.线性度线性度描述了光电探测器的光电特性的线性程度，即在规定的 范围内，探测器的响应度是常数，该区域范围被称为线性区。线性区的上限由 饱和效应或过载决定，下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定线性度一 般用非线性误差3来度量6=-皿(2-9)Rmax-Rmin哈尔滨理工大学工学硕士学位论文式(29)为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；j 凡&分别为线性区 中的最大和最小响应值网。2.3 PIN光电探测器的噪声分析及相应的降低噪声措施在本设计中，光电二极管所接收到的光信号十分微弱，输出的电信号往往 被淹没在噪声之中。PIN光电探测器通过光电效应在将微弱光信号转变成电信 号同时，也伴随着无用噪声信号的产生，为提高信号的信噪比，有必要采取相 应的措施来降低噪声的影响。231 PIN光电探测器的噪声分析光电探测器的噪声源一般可大致分为两类，第一类是散粒噪声，由光电探 测器接收光信号的过程中发生的噪声，包括信号光和背景光激发光电子的噪声;第二类是热噪声，由光电探测器自身构造和使用条件所引起的噪声，例如一光 电二极管的暗电流，光电探测器内部的光反馈等。因而，需要针对光电探测器 不同的噪声来源分析其噪声特性。1.散粒噪声在本光电探测器中，散粒噪声是由微弱光信号在到达光电探 测器光敏面上的光子起伏变化及PN结上的光生载流子流动的不连续性和随机 性，从而导致PN结势垒上的载流子起伏变化，统计规律服从泊松分布网。在 本光电探测器中，主要有以下三类散粒噪声：(1)微弱光信号的光子噪声。光信号照射在光电探测器上时，到达探测器的 光子数是随机的，因而光激发的载流子也是随机的，这样将产生起伏噪声，即 光子散粒噪声。(2)环境光噪声。PIN光电探测器所接受到的光信号，往往伴随着一定的环 境光的干扰，而光电探测器具有高增益和高灵敏性，因而环境光噪声不应被忽 视。(3)暗电流散粒噪声。所谓的暗电流就是在没有任何光照射的情况下，热激 发的载流子将形成光电探测器中的暗电流。这种由光电探测器暗电流引起的输 出信号起伏称为暗电流散粒噪声。2.热噪声所谓热噪声就是在导体和半导体内部，由于自由电子或电荷载 流子的不规则的热运动所引起的网。由PIN光电二极管的等效电路可知，本光 电探测器也存在内阻，这样不可避免的将有热噪声产生。通过对PIN光电探测 器内的电荷载流子的运动分析可知，在没有外电场的情况下，电荷载流子作无-10-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文规则的热运动，对PN结来说并没有定向迁移，所以没有电流产生，但是由于 在一定时间内流向P端和N端的载流子数并不相同，从而在PN中产生涨落电 势，引起涨落电流，这就是PIN光电二极管热噪声的来源。通过对热噪声的统 计分析，实质上可以得到：在任一频段力内，PIN光电探测器的热噪声电流的 均方值，可以表示为二竿(2-7)热均方电压丁的表达式为un2=4kTRd f(2-8)式中K光电探测器内阻，T光电探测器温度，K；必一光电探测器的带宽。由式(2-7)及式(28)可知，PIN光电二极管的热噪声与其工作温度成正比，因为 温度影响电子运动速度。在温度一定时，热噪声和通带有关，而与频率无关，说明热噪声的频谱无限宽，热噪声的功率谱密度(4H7?)为常数，也就是所谓的“白噪声二23.2 PIN光电探测器的降低噪声的相关措施针对以上的散粒噪声及热噪声的分析，本设计采用以下措施来对光电探测 器进行减小噪声处理。1.由上文对光电探测器可能产生的散粒噪声分析可知，主要从PIN光电二 极管选材，光探头的封装，以及PIN光电二极管的工作模式等方面来降低散粒 噪声的影响。本次设计中光电探头部分完全封装在圆柱形外壳内，一定程度上 消除了周围环境带来的杂散光，在实际应用中还可以针对特定波长的光源选择 相应波长的滤波片来进一步滤除干扰。对暗电流噪声的影响可采用零偏置电压的方式，这样在没有偏置电压的情 况下则没有暗电流的产生，所以可忽略暗电流的影响。2.为降低PIN光电二极管的热噪声，一方面可采取降低探测器的工作温度，例如，对PIN光电二极管加装散热片，缩短光照射到光敏面的时间等措施；另 一方面，可采用对检测结果进行数据校正的方式来降低“白噪声”的影响。-11哈尔滨理工大学工学硕士学位论文2.4本章小结本章首先对光功率检测的理论基础原理进行了分析，通过对热转换模式和 光电转换模式这两种常用的光功率检测模式进行分析，从理论上论证了采用光 电转换方法对光信号功率进行检测的可行性，并确定了光功率计的检测方法；其次通过对光电二极管的工作原理进行分析，确定了采用PIN光电二极管作为 光电探测器。最后，本章对PIN光电探测器进行了噪声分析并对其散粒噪声和 热噪声分别采取了相应措施，提高了信噪比。-12-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第3章PIN光电二极管的光谱响应度计算光谱响应度反映光电二极管将光信号转换电信号的能力。不同波长的光信 号，对PIN光电二极管来说具有不同的响应度，为测得准确的光功率值，除了 对输出电流进行精确测量外，还需要对光谱响应度进行准确的计算。3.1光谱响应度的模拟计算公式推导为得到准确的光谱响应度的计算公式，利用半导体基本方程中载流子连续 方程来对光电二极管的光电转换进行分析计算。为计算方便，将PIN光电二极 管的光电转换示意图进行简化模型处理，如图3-1所示。并假定入射光垂直入 射，光源稳定，且未过载。禺p X?及 x图3-1 PIN光电二极管简易模型示意图 Fig.3-1 Simple model diagram of the PIN photodiode图3-1中匕、/、印N分别表示P+层的有效厚度，耗尽层的厚度及N+层的 有效厚度，为为无效层厚度，x为到触光面的距离，则x处光生载流子的产生 率G(x)为G(x)二怛(3-1)式中r反射系数；a吸收系数；S器件光敏面面积，m2；h 一普朗克常数；c为光速率值，m/So-13-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文在P+层，非平衡少数载流子应满足的连续方程为d2 A 心 A(x)_-G(x)正心)一丁-丁(3.2)式中(方)电子浓度的分布函数；Ln电子的扩散长度，gm；Dn 电子的扩散系数。式(3-2)的边界条件为(不)=0(3-3)I册，=小*小p(3-4)式中“一为电子表面复合速率，m/So由连续方程式(32)和其边界条件式(33)、式(34)可构成一个边值问题，它的解 是齐次方程的通解与特解之和，等式为0=4城图+与鲂咬)荷色瓦加(3-5)式中，4、用是由式边界条件式(3-3)、式(3Y)所确定的两个常数,平衡少子，也就是电子浓度的分布函数为A 响=G(x)+C2(x)+C3(x)解之得到非(3-6)式中c=P(l-r)Gl ShcDagnd C9 104433单片机模块单片机因其具有集成性高、功能强、体积小、可靠性好、功耗低、使用方 便等特点被广泛应用于现代化的工业成产中。在本设计中采用了具有高速，高 可靠性；低功耗，超低价；强抗静电，强抗干扰；超强加密的STC12C5A60S2 系列单片机。该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)单片机，指令代 码完全兼容传统的8051,但速度快8-12倍。集成了中央处理器(CPU)、程序存 储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口 2、I/O接 口、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。下面列出了在本次设计中用到的主要特性：1.采用一个机器周期的指令模式，相当于普通8051的a420MHz,本文采 用24MHz的工作频率；2.通用4(外I/O口，驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过 120mA,实现LCD显示，数据读取，外部存储等功能；3.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)模式，用户程序可由串口(P3.0/P3.1)直接下载；4.内设外部掉电检测电路，可通过对P4.6口电压的检测来判断是否进入掉 电保护模式，5V单片机的门槛电压为L33V,误差为5%：5.硬件实现的SPI、UC和两个通用全双工UART；6.7路外部中断I/O口，采用传统的低电平触发或下降沿模式，并设有支持-25-哈尔滨理T大学工学硕.学位论文上升沿中断的PCA模块，通过对中断接口的控制，实现系统的功能唤醒，按键 控制等。完整的单片机系统模块还应包括晶振模块和复位电路。单片机模块电路如 图尔5所示。PI 5 1Pt 62P1 73RST4M IXD5_6MRXD7INTO8I.M RW9LM_D110LM-RSIIPl I 12SR_OE13XTAT.214XTALI15l)GNI)16_17ER_A81SR_A919SR_A】020SR_A1I21SR_A】222UIPI.5/M0SI P1.6/MIS0 PL7/SCLKP4 7/RST_ P3.O/RxD7iNTP4.3iTxD2/SCLK P3l/TxD P3 Wro P3 Wn P3.4/CLKOtrrO P3.5/CLKOUT1 P3迎R P3 77RDXTAL2 XTALI GND P41XSS P2 aA8 P2I/A9 P2.2/A10 P2.3/A1I P2.4/A12P1.4/SS/CCPIPI3/1D2PL2/RxD2 Pl I PI 0/CLKOUT2 P4 2/MISORxD2VCC POO PO.I P0.2 P0.3 P0.4P0 5P06P0.7P4 6/RST2/EX_LVD P4 l/ECl/MOSiP4.5/ALEP4.4/NAP2.7/AI5P2.6/AI4 P2 5/A1344 PI.4 S3讪3 42Pl 2-_4 门 l-40 P1.039 P4 2 38 DP5Vo37 UDBO 36 UDB1 35 UDB2 34 UDB3 33 UDB4 32 UDB5,7 UtB630【JDB7 29 P4 6I 2*P4|-久E%P4 4 25 P2 7 24 SR_WR 23 SR-CEI图小5单片机模块Fig.4-5 Module of the SCM4.3.4电源管理在本设计中为满足光功率计的便携要求，采用了9V集氢可反复充电电池作 为供电电源，其标称容量1200mAh,并为其设计了可充电电路，可通过9V直流 也源为锲氢电池进行充电，并为其设计了由电感和二极管组成的保护电路，及 有电感和电容组成的复式滤波电路。同时，为了保护银氢电池不因过度放电而 损坏，还设计了电压检测电路。在本设计的电源电路中还需提