猫
翔圃脚 如胭 峪
树 朋洲 智½控制系统及其应用
光电½换放大电路的设计
中北大学电子测试技术重点实验室
仪器科学与动态测试教育部重点实验室
摘
要
王 磊 赵冬蛾 党浩淮
通过对光电½换电路的前½放大及主放大电路的设计进行研究
,
½电路
完成 了光电½换
、
滤波
、
降噪等优化处理
,
实现 了将有用信号从噪声中分离出来
并放大输 出。 提高 了系统的稳定性和灵敏度
。
关键词
前½放大电路
光电二极管
滤波
主放大电路
引言
光 电探 测 器 在 军事 和 ½ 民 经 济 的
各个领域½ 有广泛应用
。
其 中光电½
换 电路是光 电探测 系统 中至关重要 的
部 分
。
光 电 ½ 换 电 路 是 以 光 电二 极 管
为基础器件
,
将照射于二极管上的光
通 量 的 改 变 ½ 化 为 电信 号 完成 光 电½
换
。
然后 经过前 ½ 放大
、
主放 大 电路
,
完成 滤波
、
降噪
、
消除 自激 振 荡等优 化
,
再 与 后续 的信 号处 理 系统对 接
。
因此
,
光 电 ½ 换 电 路 在 整 个 光 电探 测 系 统 中
是非常重要的
,
它的性½稳定性直接
决定 了整 个系统 的 性½½ 坏
。
前½放 大电路设计
,
,
光 电二极 管
光电二极管是远红外线接收管
,
是 一 种 光½ 与 电 ½ 进 行 ½ 换 的 器 件
。
结 型 光 电二 极 管 充 分 利 用
结的
光 敏 特 性
,
将 接 收 到 的 光 的变 化 ½ 换
成 电流 的 变 化
。
光 电二 极 管 的 伏 安特
性如 图
所示
。
在 无光照时
,
与普通
图
光电二极 管伏安特性 曲线
《伺服控制 》
年
期
二 极 管 一 样
,
具 有 单 向导 电 性
。
外 加
效的抑制干扰
。
在光 电½换 电路 中滤
波 电路 如图
所示
。
正 向电压时
,
电路原理图见特性 曲线
第 一 象 限
,
电 流 与 电压 成 指 数 关 系
,
,
½通滤波 电路
½通 滤 波器 的 电 路图 如 图
示
,
其传 递 ½数 如式
所示
见特 性曲线的第一象 限
外加反 向电
所
压 时
,
反 向 电 流 称 为 暗 电流
,
通 常 小
于
目
。
在有光照时
,
特性 曲线 下移
,
它
们分布在 第三
、
四象限内
。
在反向 电
压 一 定 范 围 内
,
即在 第 三 象 限
,
特 性
曲线是一组横 ½的平行线
,
电路原理
助
一一
,
人
和
组 成了等效
门 曰 门 门 口 门 门门 门 门 口 门 门 曰
曰 口 曰 曰 创 口 口曰 曰 曰 曰 目 曰 曰
川 阳 曰 曰 目 目 目曰 曰 曰 曰 曰 因 阳
曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰
曰 曰 曰 曰曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰
曰 目 曰 曰曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 目 曰
曰 肖 曰 曰曰 曰 曰 曰 目 目 曰 曰 用 曰
曰 曰 曰 曰目 目 曰 目 目 目 目 目 目 目
目 目 目 目目 目 目 目 目 目 目 目 目 目
」
目 口 曰 曰 曰 口 曰 曰 口 曰 曰 ½曰
图
½通滤波器
滤波电路中
½通 滤 波电路
。
其传 递 ½数 如式
所示
叻
,
”叹
图如 图
第三象 限。 光 电二极 管在 反
口尸口口 口口口尸门日口门口口
曰口口口½口口口口口口口口口口
口巴口口 口口口门
「
口口门门口
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 可等 效 成恒 流源
。
照 度 越 大
,
光 电流 越 大
,
在 光 电 流 大
数
且
因 此
,
等效 滤 波 电 路 的 的 传 递 ½
·
½
。
假设取
一
仿 真得
,
通 过用
½口口口口口口团旧口口门闷口
口口 曰口口口团旧口门 门口
曰口 口 门
门口
口口口口口口口口口口口口口口口
图
高通滤波器
下
到½ 通滤 波 器可 通 过频 带 的 范 围是
一护
,
仿真结果如图
所示
,
由
范 围 内 的信 号 才 ½ 通 过 滤 波 器
,
超 出
于几十微 安时
,
与照度 成线性关系
。
在 第四象限内
,
½
度越大
,
越大
,
一定时
,
入射 照
于
仿真出的是右边带部分
,
所
。
上获 得 的½ 量也 越大
。
以显 示 的频 带 范 围是 扩一 护
此滤 波范围的噪声信号将被过 滤掉
,
大 大减 小 了 噪 声 的 干 扰
,
保 证 了进 入
后续放 大 电路 的信 号的 质量
。
滤 波 电路设 计
光电探测 系统 电路 中存 在的 主要
噪声 有热 噪声
、
散粒 噪 声
、
符 合 噪声
、
温 度 噪 声和
噪 声 等
。
这些 噪 声 一旦
高通滤 波电路
滤波电路中的
和
组成了
高通滤波电路
,
它的等效电路如图
所 示
。
假设
为
,
为
目
,
放 大 电路 的 稳定 性
放大电路中震荡产生是由于输入
电容和负½½电容 包括辊合电容和旁路
电容 会导致相½滞后
,
½相½滞后到
“ ,
负反 馈 变 为正 反 馈
,
就 产 生 了
经过放大 电路放大后将对有 用信号 的
检 测和分析造成 极大地干扰
。
因此
,
在 光 电 ½ 换 电 路 中加 入 滤 波 电路 是 必
不 可 少 的
。
滤 波 电路 的功 ½
,
是 让 一
定频率 范围内的信号通过
,
而将此频
率范 围之外的信号加以抑制或½其急
通过用
½件仿真得到高通滤波
气
,
电路 可通 过 的 频 带 范 围是
仿真结果如图
、
所示
,
由于
仿 真 出 的是 滤 波 器 的 左 边 带 部 分
,
所
以图
显示 的范 围是 一七
。
,
。
震 荡。 如果只有 放大电路本身
,
电路
是稳定 的
,
½加入负½½ 电容和输 入电
容½得相½裕 度变小
,
就 容易产生展
荡
。
½ 通 滤 波 电路 和 高 通 滤波 电路 共
同 构 成 了带 通 滤 波 器
,
允 许 通 过 的 频
带范 围是
一护
。
只 有在 这个 频带
剧衰 减
。
½干扰 信号和有用信号不在
同一频率 范围内
,
可 以½滤波电路有
要 消除震荡
,
需要用相½补 偿的
口圈 目目
几
门
又 芍『
『
气
斗
、
口团口
「
门口曰
「
沁 才申心
嘟
口口口 口
口曰½团
砚卫
,
望二
一
口
一
『
口
一
,
糕
,,
之
胭
旧
旧
门
'
图
滤波电路
图
½通滤波电路
仿真结果
. 兀 谧抓 口盯
口吸
吕 ½ 肠 盯 翻明皿几
姗 吕
侧晰
智½控 制系统及其应 用
的容性负½½
,
以减少附加相移
。
主放 大电路的设计
前½放大电路将微弱的光 电流½换 为电压信号
,
½ 由
于 信 号 仍 比较 小
,
不 易 于 观 察 和 分 析
,
因 此 需 要 主 放 大 电
路对信号进行进一步的放大
,
通过 阻容祸合与 前½放大 电
路相连
。
主放大 电路图如图
一
所示
。
是 多档调节开关
,
可以实现电压放大倍数的 多档可调
,
即所谓 的灵敏
为相½超前补偿电容
,
度调节
。
与反馈电阻并联 的电容
避 免震 荡 的发 生
。
测试结果
以玩具手枪模拟真实弹丸验证该系统
。
搭建两个平行的
图
高通滤 波电路
仿真结果
扇½靶 区
,
靶距为
,
激光器与原像反射屏相距
、
、 ,
、
,
门 曰 日 口日 日 日口 口口 曰曰 日日 日日 日
曰
习 曰 口门口口口口口口口日口口门口
曰
门 曰曰口口口 口口 门门日日口厂口
门
口
门 口曰口门口口四口门口口口曰口曰曰
门
门 门
门
曰门门
门
】
门
飞 门门曰曰日门
【
门
门曰 口口口口图口 门曰日曰门门门
门 曰曰口口口口口口曰洲门日日曰日口
门
习 口口口团口闷阅口门
「
尸厂日厂口
口
曰
日
〕【
“阳
门 口口口图闷口½口口口口口
阳
门 曰口口½口日口口日门门门门田四四
门
门门门口口口口日口囚口½口口口口口
习 曰曰口回口团口口曰门口日口口口口
曰
口目目口口口口园口口口因口口口口口
「
,
口
,
,
,
一
,
,
在有效靶区范围内距离激光器出射 口½
处分别测试经光电½换放大电路处理后的信号
。
共测试三组
数据
,
直 流 电平 为 一
,
噪声稳 定 在
左右
,
激 光 光
幕最 弱 区 信号 在
左 右
,
性 ½较 为稳 定
,
信 噪 比较 ½
,
½
满足测试要求
。
测试结果如附表所示
。
附表 手枪测试数据
娜蕴
第一组
口
口
月
困
口
刃
口
口
第二组
第三组
,
结束语
研 究了光 电½ 换 电路 的设计 并 做 了详½ 的 分析 讨论
,
通
过合理 选 择调 试器 参 数
,
可 以½ 系统 的稳 定 性和 灵敏 度 趋于
最 ½
,
在 实际 的运 用过 程 中还 需要 考 虑 实际环 境 的各 方 面 因
素
,
分析 解决 问题
,
才 ½系统 性 ½达 到最 ½
。
图
超前相½补偿电路
二川荆书荆升笋
妥
笋
洲洲洲洲书十日
十
鞭翩至
图
主放 大 电路
½者简介
王磊
一 女 硕 士研究生
,
现就读于中北大学电子
测 试技 术重 点实验 室
,
主要研 究 方 向为光 电探 测理 论与 技术
。
参考文献
」
宋涛 张斌
,
½倩倩, 等 光电½换电路的设计与优化
〔 〕
光
电技术 应用
、
、
一
方法
,
½电路的相½裕 度保持在
阻并联
。超
前相 ½ 补偿 电路 如 图
弋
”范围内 。
通常½用
所示
。
【
胡涛
,
司汉英
技 术应 用
,
,
光电探测器前½放大电路设计与研究
〔
一
光电
超前补偿的方式将超前补偿 电容加在反馈回路中
,
与反馈 电
除 了采 用相 ½补 偿 的方 法以 外
,
还 需 要采取 以下方 法避
童诗 ½, 华成英 模拟电子技术基础
北京 高等教育出版社,
免震荡
散 电容
把与反相输入端相连的管脚½量缩短
,
减小输入杂
电源 与 运 算放 大器 附近 ½ 用旁 路 电容
避 免不 必要
」
刘斌
,
张秋蝉 光电检测前里放大电路的设计
〔
,
一
燕山大学学报,
京公网安备 11010802033920号
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