PDF《红外探测传感器设计》

0 (e 1) qv kT L I I I 2) 式中:I0为PN结的反向饱和电流,v为包括外电压和 光电压的实际结电压,k为波尔兹曼常数,T为探测 器的工作温度. 由式(2)可得,以IL为参量的伏安特性曲线如图 ・2・ 应用科技第39 卷1所示,其中P

0、P

1、P2为照射在光电管上的光功 率, 且有: P2>

P1>

P0.从光电二极管I-V曲线图中可以 看出,光电二极管的反向输出电流与光照强度成正 比.当不断增加反向电压时,电流会突然增加,该点 称为反向击穿电压.对于小面积的光电二极管, 暗电 流约

10 ?A;

因此,在给光电管加入反向偏置电压 时要特别注意,以免光电二极管被击穿. 图1 光电二极管伏安特性曲线 系统采用PIN型光电管.该结构的光电管还有一个 显著的优点是泄露电流非常小,有利于精确测温.光 电二极管等效电路如图2所示. 图2 光电管等效电路 图中IL是由光照产生的电流, 该电流大小由照射 在光电管感光面上的光能总和决定.ID为二极管电 流,其变化满足二极管的伏安特性曲线.分流电阻Rsh 通常为10~1

000 M?,I'

是暗电流.Rsh决定了光电管 在无光照情况下的噪声电流大小,Rsh越大, I'

越小, 光电管的噪声性能就越好.串联电阻RS决定了光电管 的线性度, 其值通常为10~1

000 ?. Cj为结电容, Cj的 大小决定了光电管的响应速度,Cj越小,响应速度越 快,它同时影响带宽和噪声.对于平面扩散型光电管 来说,感光面积越小,Cj越小,Rsh越大,响应速度 与噪声得到改善,但是灵敏度也会下降,选择器件 时应综合考虑.此外Cj也与加载在光电管上的偏置电 压成反比[3] .因此,如需提高电路的灵敏度,优先选 择光学方法来改进而不是增加二极管的感光面积, 光学方法不会引入新的噪声.

2 电路设计 辐射测温电路主要包括4部分:1)光电转换;

2) 前置放大;

3)低通滤波器;

4)后级放大.红外辐射温度 测量电路框图如图3所示. 图3 红外辐射温度测量电路框图 由于光电转化是将辐射光能经由光电管收集并 转化成微弱的电流信号(数量级在100 nA左右) ,若 将此电流信号直接送至AD采集卡是检测不到信号 的,要把此微弱的电流信号进行适当的放大才能送 至AD卡进行数据采集;

因此,光电转换和前置放大 部分是电路设计的关键[4] .同时,滤波电路、后级放 大电路也是系统不可或缺的部分. 2.1 光电转换 光电管种类繁多, 按照结构可分为PN型光电管、 PIN型光电管、肖特基型光电管(Schottky)、雪崩型光 电管(Avalanche) 等[5] .可以根据测量要求选择光电器 件的光谱敏感区间、响应速度、等效噪声功率等, 如果需要实现高速高精度测量,则要求所选的光电 管具有较好的频率响应和灵敏度.根据系统实际要求 测温范围800~1

500 ℃,这里选用InGaAs光电二极 管. InGaAs光电二极管的峰值波长为0.7~1.1 ?m, 可 以很好地覆盖系统的测温范围,使光电二极管在低 温到高温段都能有良好的精度和灵敏度. 2.2 前置放大 前置放大器又称为预放大器,它的体积较小, 放置在光电管附近,前置放大器的输入与光电管相 配合,甚至有时........