高速峰值檢測功能的光電二極管陣列研究

　　摘 要：本文設計了一種高速峰值檢測功能的光電二極管陣列結構，可用于對高速信號進行實時檢測，給出了設計總體流程圖，以及各主要組成部分的硬件電路關系等。通過實驗可知，系統滿足設計要求。
　　關鍵詞：峰值檢測電路 光電二極管 高速探測
　　中圖分類號：X831文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0123-01
　　光電二極管陣列是一種應用廣泛的線性陣列探測器，在現有的產品中（主要是國外產品）按照輸出信號的特征，主要分為兩大類：模擬輸出和數字輸出。對于各種模擬輸出的光電二極管陣列，除了制作工藝和材料的不同，主要是像素數目的差別，從幾個像素到近千個像素的產品都有，常用的是32和64像素產品。
　　目前產品中主要問題在于由于器件利用積分檢測原理檢測光信號，積分時間較長，而且很容易達到飽和，在模數轉換器方面，現有產品中為整片或部分陣列共用一個轉換器，速度較慢。在每個像素單元后集成一個像素級AD轉換器，依靠大量低速AD轉換器并行工作，達到信號高速數字化轉換的目的；而且在像素單元后帶有濾波器，通過濾波功能，提高信噪比。本項目的技術水平，屬于國內領先水平，該項目產品研制成功后，可以用于各種光譜分析儀器和光電信號探測領域，尤其適合于需要高速光電轉換和處理的軍事應用方面。技術指標：光譜范圍：400～1100nm，波長分辨率10nm，響應速度：0.1ms，動態范圍：160dB。各項技術指標處于國內領先水平。
　　1 高速峰值檢測系統設計
　　高速峰值檢測功能的光電二極管陣列，在前端使用高速PIN光電二極管實現光信號探測，隨后通過濾波器將有用信號濾出，濾出信號通過低噪聲放大器和峰值保持器送入像素級的AD轉換器實現信號數字化，最后通過接口器件將多路并行工作的電路進行集成組成光電二極管陣列。光電二極管陣列的總體框圖設計如圖1所示。
　　2 低噪聲前置放大器的設計
　　低噪聲前置放大器是微弱信號檢測的關鍵部件之一，擔負著放大微弱信號的任務，因為對于微弱信號檢測來說，關鍵的措施之一就是盡量減小測量過程中引入的噪聲，而前置放大器是引入噪聲的主要部件之一，由于信號十分微弱，則要求前置放大器具有低噪聲性能，不然由于前置放大器本身的噪聲將會使原來就被噪聲淹沒的信號淹沒得更深。這就要求前置放大器必須是一個性能優良的具有抑制噪聲能力的放大器。設計低噪聲放大器的主要內容是選擇低噪聲半導體器件，確定電路的級數和電路組態，確定低噪聲工作點，進行噪聲匹配等工作。工作點問題是一個考慮重點，因為它對于器件的重要指標—— 功耗有很大的影響。
　　3 峰值保持器的設計
　　探測器輸出的信號經過放大或整形后的脈沖峰頂較窄，甚至是尖頂的，不能滿足AD轉換器的要求，這時必須要由一個峰值保持電路將脈沖的峰值保持一定的時間，再送往后續電路。峰值檢測的主要目的也是為了抑制噪聲的影響，用瞬態峰值檢測法取代傳統的積分檢測，可以進一步提高信噪比。峰值保持電路可由一級精密二極管和一級電壓跟隨器組成。添加保護電路后，電路圖如圖2所示。有用的信號檢出之后，而后是進行模數轉換，轉換之前首先要對信號進行取樣保持，只需要一個電容就可以實現此功能，為了控制采樣時間我們需要設計一個開關，可用MOS開關實現，通過設置時鐘信號，確定采樣時間。還有一個注意的問題就是，如果電壓信號不夠大，還需要再加一級放大然后再轉換。
　　4 結語
　　設計了一種高速峰值檢測功能的光電二極管陣列結構，可用于對高速信號進行實時檢測。完成了系統低噪聲前置放大器的設計，完成了峰值保持器的設計，并給出了硬件電路圖。最終，通過實驗檢測系統設計符合要求。
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