摘 要

本文借助电路仿真软件Proteus，对微弱光信号检测电路设计进行了仿真，并借助仿真电路搭建了具体的实物检测电路，通过具体的实验检测设计方案是否符合研究目标，根据实验结果不断优化电路设计以满足设计要求。论文主要研究了微弱光信号的主要特征、光电转换电路设计和优化、噪声处理电路的设计和优化、检测电路设计应遵守的基本原则。研究结果表明：借助硅光电二极管作为光电转换器件，利用其灵敏度高、噪声低、低偏置电流等特点，设计出的微弱光信号检测电路能够很好的满足设计要求，适用于微弱光信号的检测，取得很好的效果。

本文的特色：明确整个方案设计中的重点和难点，在设计中强调了光电器件和运算放大器的选择以及滤波电路的设计选用，在整个设计中一直贯彻低噪声设计，引入噪声低，另外设计使用的低通滤波电路使得微弱光信号的检测的信噪比较高，提升了检测精度，从而满足设计要求。

关键词：光电二极管，光电转换，光电检测

Abstract

In this paper, the feasibility of the weak optical signal detection circuit is simulated by means of the circuit simulation software Proteus, and the concrete physical detection circuit is built by means of the simulation circuit. The specific design is used to test whether the design scheme meets the research requirements and is optimized according to the experimental results. This paper mainly studies the main characteristics of weak optical signal, the design and optimization of photoelectric conversion circuit, the design and optimization of noise processing circuit, and the basic principle that the circuit design should be observed. The results show that the use of silicon photodiode as photoelectric conversion device, the use of its high sensitivity, low noise, low bias current characteristics, designed weak optical signal detection circuit can meet the design requirements, suitable for weak optical signal detection, and achieved good results.

The characteristics of this paper: clear of the focus for the entire program design and difficulties in the design of the emphasis on the selection of optoelectronic devices and operational amplifiers and filter circuit design selection, throughout the design has been implementing low noise design, the introduction of low noise, the low-pass filter circuit makes the signal-to-noise ratio of detection for weak optical signal pretty high, to improve the detection accuracy, so as to meet the design requirements.

Key Words：photodiode，photoelectric conversion，photoelectric detection

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究内容 1

第2章 检测电路设计和特性分析 3

2.1 电路的模块化设计 3

2.1.1 光电转换模块 3

2.1.2 前置放大模块 4

2.1.3 主放大电路 5

2.1.4 滤波降噪电路 6

2.2 检测电路特性分析 7

2.2.1 光信号特性分析 8

2.2.2 硅光电二极管特性分析 8

2.2.3电路模型分析 9

2.2.4电路噪声特性分析 10

第3章 微光检测电路的实现 12

3.1 实验仿真 12

3.2 仿真电路的优化 13

3.3实验结果分析 15

3.4元器件的选择 17

3.4.1 运算放大器的选取 17

3.4.2 反馈电阻大小的设置 18

3.4.3 光电二极管的等效替代 18

第4章 总结 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

随着时代的变迁，各项技术的演进和新型光电检测元器件的陆续出现，光电检测技术已然成为一种将光学技术、电子技术、计算科学等诸多学科和技术融为一体的新型检测技术，拥有超远距离、非接触、大容量、高速率、高可靠性、高灵敏度、高检测信噪比等诸多优点，应用范围十分广阔，现已应用到军事、工业、农业、医学体系、航天探测等诸多领域^[1]。而广大学者和研究人员对于微弱光信号的检测又尤为重视，新的高精度的微弱光信号检测系统不断涌现。对于微弱光信号检测，由于待测光信号功率极低，容易被噪声淹没，而且在整个过程中会有外部噪声和电路自身噪声的加入，使得待测信号更容易受到影响而降低了检测电路的检测信噪比,影响到检测精度^[2]。

1.1 研究背景

随着新型光电检测技术和器件的出现，国内外学者对于微弱光信号检测领域也有了新的突破。而对于微弱光信号检测电路设计，难点在于微弱信号采集部分和光电转换模块的设计，而随着新的光电技术和器件的问世，对于微弱光信号的检测、采集和后续的处理技术也有了巨大发展 ^[3] 。

在检测系统设计和实现方法上，众多学者进行了很多实验和探索。例如通过在后续的数据处理电路中设置信号通道和参考通道的方式，利用处理器芯片将广义上的白噪声滤除，这样即使在强噪声背景下也能实现对微弱光信号的检测，而且检测效果很好^[3]。此外，针对电路设计上，由于完全采用集成芯片导致系统灵活性下降，适用范围较窄，针对此问题，也有学者提出了改进措施。利用集成电路和分立器件相组合的方式，设计出的检测电路结构简单而且检测精度较高。针对微弱光信号检测对于噪声特性和精度的要求，新型的高精度、低噪声的运算放大器和新型Flash芯片核心也都已问世，其测量输出光功率稳定度可达^[3]。高精度的检测器件的出现更促进了微弱光信号检测的发展。

同时在针对微光检测的理论研究上，也取得了不错的进展。基于相关检测理论设计出的微弱光纤陀螺信号检测系统，能够很好地对开环背景噪声中的微弱信号进行高精度检测。而基于数字正交相关检测方法设计出的微光检测系统也能够较好地实现对微光的检测^[5]。