光电探测器前置放大电路设计概要 上海光学精密机械研究所李国扬 此处的光电探测器，指的是将光功率转化为电流的二极管结构光电转换器件。有人认为光电探测器的应用很简单，将光电二极管的输出电流用一个电阻进行取样，就得到了电压，该电压可经过AD转换电路进行数字化处理。一个简单的光电探测器应用电路如下图所示： 实际上，没有如上图一样简单。 首先，上图中的光电探测器会产生一个暗电流，这个暗电流有可能会大到可以和信号电流比拟；其次，取样电阻会产生热噪声，而电阻值越大，噪声也越大。并且，10mV 的信号电压未必足够大。而在光电流大小一定的情况下要提高信号电压，就需要增大取样电阻，取样电阻变大，又会增大噪声，这是一对矛盾。 进一步分析，光电探测器的PN结有一个结电容，这个结电容和取样电阻形成一个RC充电回路，RC值的大小决定了光电探测器的响应速度。对于一个给定探测器，C 值是随着VCC电压值变化而变化的。电容值随VCC变化典型曲线如下图。当VCC值不稳时（如用噪声大的开关电源给探测器做偏压），就会使结电容不稳，结电容的大小会影响响应度；这样，VCC的噪声会通过改变结电容的大小而转化成信号的噪声。确定了探测器种类和VCC后，C值就固定了，此时，减小R值可以减小响应时间，增大响应带宽；但是，减小R值又会减小响应幅度。这又是一对矛盾。 对于探测微弱信号而言，需要一个比较大的取样电阻，而取样电阻如果很大，对于
后级电路来说，相当于一个大的输出阻抗，这对后级电路的处理带来了困难。如下图所示意，如果后级电路的输入电阻为1M欧，那么信号电压只有一半被后级放大器提取，所以，要求后级电路有很大的输入阻抗，才能尽可能多的提取信号能量。 到了这里，您可能会说，是否可以选择一种光电探测器，使它能够对光信号更为敏感，也就是说，单位光功率可以得到更大一些的光电流，这样就减轻了电路的压力。是的，有响应更大的器件。但是，增大光电响应度，在半导体工艺上需要增大光敏面积，而增大光敏面积的一个伴生效应是增大结电容。前面提到，增大结电容的坏处是降低响应速度。 一个典型的光电探测器结构图如下所示： 可以看到，一个光电探测器由一个光生电流源和一个电容构成。由PN结理论，增大加在光电探测器上的反偏电压，会拉长耗尽区，拉长耗尽区的结果是使结电容变小。从而得知，结电容是反偏电压的单调递减函数。
实验1 单级放大电路 1．实验目的 1）学习使用电子仪器测量电路参数的方法。 2）学习共射放大电路静态工作点的调整方法。 3）研究共射放大电路动态特性与信号源内阻、负载阻抗、输入信号幅值大小的关系。2．实验仪器 示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字万用表。 3．预习内容 1）三极管及共射放大器的工作原理。 2）阅读实验内容。 4．实验内容 实验电路为共射极放大器，常用于放大电压。由于采用了自动稳定静态工作点的分压式偏置电路（引入了射极直流电流串联负反馈），所以温度稳定性较好。 1）联接电路 (1)用万用表判断实验箱上的三极管的极性和好坏。由于三极管已焊在实验电路板上，无法用万用表的h EF档测量。改用万用表测量二极管档测量。对NPN三极管，用正表笔接基极，用负表笔分别接射极和集电极，万用表应显示PN结导通；再用负表笔接基极，用正表笔分别接射极和集电极，万用表应显示PN结截止。这说明该三极管是好的。用万用表判断实验箱上电解电容的极性和好坏。对于10μF电解电容，可选择200kΩ电阻测量档，用万用表的负极接电解电容的负极，用万用表的正极接电解电容的正极，万用表的电阻示数将不断增加，直到超过示数的范围。这说明该电解电容是好的。 ⑵按图1.1联接电路。 ⑶接通实验箱交流电源，用万用表测量直流12V电源电压是否正常。若正常，则将12V 电源接至图1.1的Vcc。 图1.1 共射极放大电路
⑷ 测量电阻R C 的阻值。将V i 端接地。改变R P （有案可查2 2k Ω、100k Ω、680k Ω三个可变电阻可选择），测量集电极电压V C ，求 I C =(V CC －V C )/R C 分别为0.5mA 、1mA 、1.5mA 时三极管的β值。建议使用以下方法。 b B cc 2b B B R V V R V I -=+ p 1b b R R R += B C I I =β （1-1） 请注意，电路断电、电阻从电路中开路后才能用万用表测量电阻值。本实验用测电阻值、电 压值来计算电流值，而不是直接测量电流，是因为本实验电路的电流较小，测量电流的测量误差较测量电压、电阻的误差大。同时还因为测量电流时万用表的内阻趋于零，使用不当很可能损坏万用表。 Vcc=11.992 V 图1.2是示意图。它示意i C 并不严格等于βi B ， 只是近似等于βi B ；或者说β并不是一个常数。通常， β随i B 增大而增大。 对于一个三极管，β随i B 的变化越小越好。用图 解法表示共发射极放大器放大小信号的原理可知，β 随i B 变化而变化是正弦波小信号经共发射极放大器放 大后产生非线性谐波失真的原因。若表1.1中β的数 值较接近，则表1.6中的非线性谐波失真应较小。使 用不同实验箱的同学之间可验证上述分析。由此可见， 在制作小信号放大器时，若要求其非线性谐波失真尽可能小，则应挑选β值随i B 变化而变化尽可能小的三极管。 2) 调整静态 电压放大器的主要任务是使失真尽可能小地放大电压信号。为了使输出电压失真尽可能小，一般地说，静态工作点Q 应选择在输出特性曲线上交流负载线的中点。若工作点选得太高，放大器在加入交流信号后容易引起饱和失真；若选得太低，容易引起截止失真。对于小信号放大器而言，若输出交流信号幅度较小，电压放大器的非线性失真将不是主要问题，因此Q 点不一定要选在交流负载线的中点，而可根据其他要求来选择。例如，希望放大器耗电省、噪声低，或输入阻抗高，Q 点可选得低一些。 将V i 端接地。调整R P ，使V C =6V ，测量计算并填写表1.2，绘制直流负载线，估算静态工作点和放大电路的动态范围；分析发射极直流偏置对放大器动态范围的影响。
一、三种常见共射放大电路静态分析见下表所示 上表是常见共射电路的静态工作点。对于实际电路不一定完全跟表中电路相同。求解时遵循以下几点可以求出。 1.思路：①画出该电路的直流通路图。 ②从电源经过基极绕到地列出电压方程(有些电路需经过电工知识进行简化，像分压式可用戴维南定理对R b1、R b2部分等效)求出I BQ 。 ③根据电流放大作用求出I CQ 。 ④从电源经过集电极到发射极到地列电压方程求出U CEQ 。 2．静态工作点的稳定 (1)固定偏置电路 没有稳定静态工作点作用，只能用在要求不高的电路中。 (2)分压式偏置电路 ①静态工作点稳定过程 ②工作点稳定对电路元件参数要求 A ．要稳定效果好：V BQ 要一定，就要求I 1≈I 2 I BQ 。这样才能保证V BQ ≈ R b2 R b1＋R b2 V G 。一般情况下 ??? ??I 1≈I 2＝（5～10）I BQ 硅管 I 1≈I 2＝（10～20）I BQ 锗管 B ．稳定静态工作点效果：V EQ ＝I EQ R E 的上升使U BEQ 下降。当R e 越大，U BEQ 下降越快，调整灵敏度
越高，这样就有V EQ U BEQ ，一般有?????V BQ ＝（3～5）U BEQ 或（3～5）V 硅管 V BQ ＝（5～10）U BEQ 或（1～3）V 锗管。 (3)集—基反馈式 静态工作点稳定过程：V CQ ＝V G －(I CQ ＋I BQ )R c 二、三种常见共射放大电路动态分析见下表所示
几点说明： 1.r be 是三极管的输入电阻，属动态电阻，即交流阻抗，但其大小跟晶体管的静态电流大小有关，一般的估算公式为r be ＝r ′bb ＋(1＋β)26mV I E mA ＝r ′bb ＋26mV I BQ mA 单位为欧姆(Ω)。 (2)r′bb 为三极管基极的等效 电阻，小功率一般约为300Ω，近似计算时，按给出值代入，不给出值时取300Ω代替。 2．输入电阻r i 和输出电阻r o 的物理意义。 r i 表征放大器输入端，相对于信号源而言是信号源的等效负载电阻。r i 越大，则向信号源索取的电流越小，信号源负担越轻。r o 表征放大器的输出端，相对于负载而言是负载的信号源，r o 即为信号源内阻，显然r o 越小，带负载的能力越强。 三、射极输出器 1、静态工作点 I BQ R b ＋I BQ (1＋β)R e ＋U BEQ ＝V G ， I CQ ＝βI BQ ， U CEQ ＝V G －I EQ R e ≈V G －I CQ R e 2、动态分析 ①电压放大倍数：A u ＝(1＋β)R L ′/[r be ＋(1＋β)R L ′]，其中R L ′＝R e ∥R L ②输入电阻：r i ＝[r be ＋(1＋β)R L ′]∥R b ③输出电阻：r o ＝∥R e ，其中R s ′＝R b ∥R s 3、射极输出器的特性： 射极输出器是共集电极电路，又称射极跟随器(uo ≈ui ，且同相) 电压放大倍数略小于1，电压跟随特性好，输入阻抗高，输出阻抗低，具有一定的电流放大能力和功率放大能力。 射极输出器的反馈类型为电压串联负反馈，且反馈系数为1，属深度负反馈，Auf ≈1/F ＝1。 4、射极输出器的应用 在多级放大电路中，射极输出器可作为输入级，以减轻信号源的负担；也可用作输出级，提高带负载的能力；还可作为放大器的中间隔离级，减小后级对前级电路的影响；另外，还可以用作阻抗变换器。
PNP 型单级共射放大电路 一、 实验目的 1、 设计一个PNP 型共射放大器，使其放大倍数为80，工作电流为80mA 。 二、 实验仪器 1、 示波器 2、信号发生器 3、数字万用表 4、交流毫伏表 5、直流稳压源 三、 实验原理 1、PNP 型单级共射放大器电路图如下： 2、 静态工作点的理论计算： 静态工作点可由以下几个关系式确定： 4 34 B C C R U V R R = + 5 B BE C E U U I I R -≈= 由以上式子可知，当管子确定后，改变CC V 、3R 、4R 中任意参数值，都会导致静态工作点的变化。当电路参数确定后，静态工作点主要通过P R 调整。工作点偏高，输出信号波形易产生饱和失真；工作点偏低，输出波形易产生
截止失真。但当输入信号过大时，管子将工作在非线性区，输出波形会产生双向失真。当输出波形不很大时，静态工作点的设置应偏低，以减小电路的 静态损耗。 3、电压放大倍数的测量与计算 电压放大倍数是指放大电路输出端的信号电压（变化电压）与输入端的信号电压之比， 即：o u i u A u = 电路中有12 (//) u be R R A r β =-、 26 '(1) be bb EQ mV r r I β =++ 其中，' bb r一般取300Ω。 当放大电路静态工作点设置合理后，在其输入端加适当的正弦信号，同时用示波器观察放大电路的输出波形，在输出波形不失真的条件下，用交流毫伏表或示波器分别测量放大电路的输入、输出电压，再按定义式计算即可。 四、实验内容及结果 1、按图连接电源，确认电路无误后接通电源。 2、在放大器的输入端加入频率f=1KHz，幅值约为10mV的正弦信号，用示波器观察，同时，用示波器的另一端监视放大器的输出电压Uo的波形。调整Rp的阻值，使静态工作点处于合适位置，此时，输出波形最大而不失真。 3、测量电路工作电流Ic并与理论计算值比较
光电脉搏检测电路设计报告 脉搏波的概述 1.脉搏波的定义 脉搏波是以心脏搏动为动力源, 通过血管系的传导而产生的容积变化和振动现象。当心脏收缩时, 有相当数量的血液进入原已充满血液的主动脉内, 使得该处的弹性管壁被撑开,此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能; 心脏停止收缩时, 扩张了的那部分血管也跟着收缩, 驱使血液向前流动, 结果又使前面血管的管壁跟着扩张, 如此类推。这种过程和波动在弹性介质中的传播有些类似, 因此称为脉搏波(pulse wave) 。 2.脉搏信息 血液在人体内循环流动过程中，经历过心脏的舒张、内脏流量的涨落、血管各端点的阻滞、血管内波的折一反射以及血管壁的黏弹等过程。脉搏波不仅受到心脏状况的影响，同时要受到内环境调控功能器官(脏器) 状态所需血液参数以及系统状态参数等的影响。所以脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。 3.脉搏测量的意义 脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。 设计目的与意义 ?目的 应用光电式传感器、放大滤波电路组成的脉搏测量电路 通过示波器显示人体指端动脉脉搏信息 ?意义 通过观测到的脉搏的次数、跳动的波形为临床提供部分 诊断价值的信息，为人体某些器脏结构和功能的变换趋势提供生理参考信号 系统设计 1.测量信号的特征
实验二 单级放大电路 一、实验目的 1． 掌握放大器静态工作点的调试方法，学会分析静态工作点对放大器性能的影响。 2． 掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。 3． 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。 二、实验仪器及器材 双踪示波器、低频函数信号发生器、低频交流毫伏表、数字万用表、模拟电路实验箱 三、实验原理 图2-1 共射极单管放大器 图2-1为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。它的偏置电路采用R B2和R B1 组成的分压电路，并在发射极中接有电阻R E ，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号U i 后，在放大器的输出端便可得到一个与U i 相位相反，幅值被放大了的输出信号U 0，从而实现了电压放大。 在图2-1电路中，当流过偏置电阻R B1和R B2的电流远大于晶体管T 的基极电流I B 时（一般5~10倍），则它的静态工作点可用下式估算，U CC 为供电电源，此为+12V 。 CC B B B B U R R R U 2 11 +≈ （2-1） C E BE B E I R U U I ≈-= （2-2） )(E C C CC CE R R I U U +-= （2-3） 电压放大倍数 be L C V r R R A β -= （2-4）
输入电阻 be B B i r R R R 21= （2-5） 输出电阻 C R R ≈0 （2-6） 放大器静态工作点的测量与调试 1） 静态工作点的测量 测量放大器的静态工作点，应在输入信号U i =0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的数字万用表，分别测量晶体管的集电极电流I C 以及各电极对地的电位U B 、U C 和U E 。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压，然后算出I C 的方法，例如，只要测出U E ，即可用E E E C R U I I = ≈算出I C （也可根据C C CC C R U U I -=， 由U C 确定I C ），同时也能算出E C CE E B BE U U U U U U -=-=,。 2） 静态工作点的调试 放大器静态工作点的调试是指对三极管集电极电流I C （或U CE ）调整与测试。 静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大的影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时u O 的负半周将被削底，如图2-2（a ）所示，如工作点偏低则易产生截止失真，即u O 的正半周被缩顶（一般截止失真不如饱和失真明显），如图2-2（b ）所示。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的u i ，检查输出电压u O 的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。 (a)饱和失真 (b)截止失真 图2-2 静态工作点对U0波形失真的影响 改变电路参数U CC ，R C ，R B （R B1，R B2）都会引起静态工作点的变化，如图2-3所示，但通常多采用调节偏电阻R B2的方法来改变静态工作点，如减小R B2，则可使静态工作点提高等。 最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是相对信号的幅度而言，如信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。所以确切的说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。如须满足较大信号的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
单级放大电路的设计与仿真 一、实验目的 1）掌握放大电路静态工作点的调整与测试方法。 2）掌握放大电路的动态参数的测试方法。 3）观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。 二、实验器材 1mV 5KHz 正弦电压源，15mV 5KHz 正弦电压源，12V直流电压源，2N2222A三极管，10uF电容（3个），10KΩ电阻（2个），3.0KΩ电阻，1.5KΩ电阻，5.1KΩ电阻，250KΩ电位器，万用表，示波器等。 三、实验原理与要求 三极管工作在放大区时具有电流放大作用，只有给放大电路中的三极管提供合适的静态工作点才能保证三极管工作在放大区。如果静态工作点不合适，输出波形则会产生非线性失真——饱和失真和截止失真，而不能正常放大。静态工作点合适时，三极管有电流放大特性，通过适当的外接电路，可实现电压放大。表征放大电路放大特性的交流参数有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。对于不同频率的输入交流信号，电路的电压放大倍数不同，电压放大倍数与频率的关系定义为频率特性，频率特性包括：幅频特性——即电压放大倍数的幅度与频率的关系；相频特性——即电压放大倍数的相位与频率的关系。 设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率5kHz(幅度1mV) ，负载电阻5.1kΩ，电压增益大于50。调节电路静态工作点(调节电位计)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。加入信号源频率5kHz(幅度1mV) ，调节电路使输出不失真，测试此时的静态工作点值。测电路的输入电阻、输出电阻和电压增益。测电路的频率响应曲线和fL、fH值。 设计图如下：
四、实验内容与步骤 1.饱和失真 为了使得到的饱和、截止失真的波形图更加明显，用15mV的交流电压源代替了原先的1mV 的电源。调节电位器的百分比至0%，观察波形。 测试饱和失真下的静态工作点 可知I B=227.374uA，I C=2.576mA, U CE=69.657mV。
实验一单级放大电路 一、实验目的 1、掌握单管电压放大电路的调试和测试方法。 2、掌握放大器静态工作点和负载电阻对放大器性能的影响。 3、学习测量放大器的方法，了解共射极电路的特性。 4、学习放大器的动态性能。 二、实验仪器 1、模拟电路实验箱及附件板 2、示波器 3、万用表 4、直流毫伏表 5、交流毫伏表 6、函数发生器 7、+12V 电源 三、实验原理 实验采用分压式工作点稳定电路，如图1.1所示。 1、静态工作点的估算 当流过基极分压电阻的电流远远大于三极管的基极电流时，可以忽略BQ I ， 则有：CC 2b 1b 1 b BQ V R R R V += ，e BEQ BQ EQ CQ R U V I I -=≈
)(e c CQ CC e EQ c CQ CC CEQ R R I V R I R I V U +-≈--= β CQ BQ I I = 2、动态指标的估算与测试 放大电路的动态指标主要有电压放大倍数，输入电阻，输出电阻及通频带等。 理论上，电压放大倍数be L u r R A '-=β ，输入电阻be be 2b 1b i ////r r R R R ≈=，输出电阻c o R R ≈ 测量电压放大倍数时，首先将电路调整到的合适静态工作点，给定输入电压i u ，在输出电压不失真的情况下，用毫伏表测出输出电压o u 与输入电压i u 的 有效值，则i o u U U A = 四、实验内容及步骤 １、在模拟电路实验箱上插上附件板，按图1.1电路，用插接线连接实验电路，接线完毕，检查无误后，接上＋12V 直流电源。 2、调试静态工作点 接通直流电源前，先将R W 调至最大， 函数信号发生器输出旋钮旋至零。接通＋12V 电源、调节R W ，使I C ＝2.0mA （即U E ＝2.0V ）， 用直流电压表测量U B 、U E 、U C 及用万用电表测量R B2值。记入表1－1。 表1-1 I C ＝2mA 3、测量电压放大倍数 在放大器输入端加入频率为1KHz 的正弦信号u S ，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压U i ≈10mV ，同时用示波器观察放大器输出电压u O 波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述两种情况下的U O 值，并用双踪示波器观察u O 和u i 的相位关系，记入表1－2。
深圳大学实验报告课程名称：模拟电路 实验项目名称：单级交流放大电路 学院：信息工程学院 二、实验仪器 1.示波器 2.信号发生器 3.数字万用表 三、预习要求 1.复习三极管及单管放大电路工作原理。
2.进行放大电路静态工作点和电压放大倍数的估算。 四、实验内容及步骤 1.装接电路与简单测量 图1.l 基本放大电路 如三极管为3DG6，放大倍数β一般是25—45；如为9013，一般在150以上 (1)用万用表判断实验箱上三极管V的极性和好坏，电解电容C的极性和好坏。 U BE=0.7V、U BC=0.7V，反向导通电压无穷大。 所示，连接电路(注意：接线前先测量+12V电源，关断电源后再连线)， 、 (2)按图1.2接线，调整R P使V E=2.2V，计算并填表1.1。 图1.2 工作点稳定的放大电路 为稳定工作点，在电路中引入负反馈电阻R e，用于稳定静态工作点，即当环境温度变化时，保持静态集电极电流I CQ和管压降U CEQ基本不变。依靠于下列反馈关系： T↑—β↑—I CQ↑—U E↑—U BE↓—I BQ↓—I CQ↓，反过程也一样,其中R b2的引入是为了稳定U b。但此类工作电路的放大倍数由于引入负反馈而减小了，而输入电阻r i变大了，输出电阻r o不变。
e be L c u R r R R A )1()(ββ++-= ，))1((21e be b b i R r R R r β++=，c o R r = 由以上公式可知，当β很大时，放大倍数u A 约等于 e L c R R R ，不受β值变化的影响。 输出波形时要调节R b1，使输出波形最大且不失真时开始测量。输入输出波形两者反相，相差180度。 (3) 信号源频率不变，逐渐加大信号源幅度，观察V O 不失真时的最大值并填表1.2。 分析图1.3的交流等效电路模型，由下述几个公式进行计算： E be I mV r 26) 1(200β++≈，be ce c L V r r R R A β-=，c ce o be b b i R r r r R R r ==,2
实验 1 单级放大电路 1．实验目的 1)学习使用电子仪器测量电路参数的方法。 2)学习共射放大电路静态工作点的调整方法。 3)研究共射放大电路动态特性与信号源内阻、负载阻抗、输入信号幅值大小的关系。2．实验仪器 示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字万用表。 3．预习内容 1)三极管及共射放大器的工作原理。 2)阅读实验内容。 4．实验内容实验电路为共射极放大器，常用于放大电压。由于采用了自动稳定静态工作点的分压式偏置电路(引入了射极直流电流串联负反馈) ，所以温度稳定性较好。 1) 联接电路 (1) 用万用表判断实验箱上的三极管的极性和好坏。由于三极管已焊在实验电路板上，无法用万用表的h EF 档测量。改用万用表测量二极管档测量。对NPN 三极管，用正表笔接 基极，用负表笔分别接射极和集电极，万用表应显示PN 结导通；再用负表笔接基极，用正表笔分别接射极和集电极，万用表应显示PN 结截止。这说明该三极管是好的。用万用表判断实验箱上电解电容的极性和好坏。对于10μF 电解电容，可选择200k Ω电阻测量档，用万用表的负极接电解电容的负极，用万用表的正极接电解电容的正极，万用表的电阻示数将不断增加，直到超过示数的范围。这说明该电解电容是好的。 ⑵ 按图1.1 联接电路。 ⑶ 接通实验箱交流电源，用万用表测量直流12V 电源电压是否正常。若正常，则将12V 电源接至图1.1 的Vcc 。 图1.1 共射极放大电路
⑷ 测量电阻 R C 的阻值。将 V i 端接地。改变 R P （有案可查 2 2k Ω、 100k Ω、 680k Ω三 个可变电阻可选择） ，测量集电极电压 V C ，求 I C =（V CC －V C ）/R C 分别为 0.5mA 、1mA 、1.5mA 时三极管的 β值。建议使用以下方法。 I B 请注意，电路断电、 压值来计算电 流值， 误差较测量电压、 可能损坏万用表。 Vcc=11.992 V 表 1.1 测量 β 值 I C (mA) V C (V) 测量值 计算值 V B (V) R b (k ) I B ( A) 0.5 9.442 1.5821 147.436 4.685 106.72 1 6.892 2.5657 82.236 7.72 138.89 1.5 4.342 3.5445 52.950 11.85 126.58 图 1.2 是示意图。它示意 i C 并不严格等于 βi B ， 只是近似等于 βi B ；或者说 β并不是一个常数。通常， β随 i B 增大而增大。 对于一个三极管， β随 i B 的变化越小越好。用图 解法表示共发射极放大器放大小信号的原理可知， β 随 i B 变化而变化是正弦波小信号经共发射极放大器放 大后产生非线性谐波失真的原因。若表 1.1中 β的数 值较接近，则表 1.6 中的非线性谐波失真应较小。使 用不同实验箱的同学之间可验证上述分析。由此可见， 在制作小信号放大器时，若要求其非线性谐波失真尽可能小，则应挑选 化尽可能小的三极管。 2） 调整静态 电压放大器的主要任务是使失真尽可能小地放大电压信号。为了使输出电压失真尽可 能小，一般地说，静态工作点 Q 应选择在输出特性曲线上交流负载线的中点。若工作 点选 得太高，放大器在加入交流信号后容易引起饱和失真；若选得太低，容易引起截止失真。对 于小信号放大器而言， 若输出交流信号幅度较小， 电压放大器的非线性失真将不是主要问题， 因此 Q 点不一定要选在交流负载线的中点，而可根据其他要求来选择。例如，希望放大器 耗电省、噪声低，或输入阻抗高， Q 点可选得低一些。 将 V i 端接地。调整 R P ，使 V C =6V ，测量计算并填写表 1.2，绘制直流负载线，估算静 态工作点和放大电路的动态范围；分析发射极直流偏置对放大器动态范围的影响。 表 1.2 调整静态 测量值 测量计算值 V B V cc V B I C R R R b R b1 R p C （1-1） R b2 R b I B 电阻从电路中开路后才能用万用表测量电阻值。本实验用测电阻值、电 而不是直接测量电流， 是因为本实验电路的电流较小， 测量电流的测量 电阻的误差大。 同时还因为测量电流时万用表的内阻趋于零， 使用不当很 CE β值随 i B 变化 而变
实验二、单级共射放大电路的设计 一、实验目的 1.掌握共射放大器电路的设计方法 2.掌握如何设置放大电路的静态工作点及其调试方法 3.学习放大电路性能指标 4.观察基本放大电路参数对放大器的静态工作点、电压放大倍数及最 大不失真电压、以及频率响应的测量方法 5.进一步熟悉函数发生器、等常用仪器的使用方法 6.进一步熟悉晶体管参数的测试 7.了解负反馈对放大电路性能的影响 二、实验仪器与器件： 直流稳压电源、万用电表、双踪示波器、交流毫伏表、直流毫安表、频率计、三极管、电阻器、电容器、电位器若干。 三、实验原理： 连接电路图如下图，并测量相关数据，了解单级共设放大电路 四、实验内容 1.静态工作点的调整与测量： 将R L 开路；在接通电源钱，将R b2 调至最大，并使u i =0.调节R b2 测量相应数 据填入下表
2.观察静态工作点对输出波形失真的影响： 调节函数信号发生器找到最大不失真输入电压，然后观察u O 输出波形，判断失真情况以及管子工作状态填入下表
3.电压放大倍数的测量 将频率为1kHz 、u i =300mV （参考）的正弦信号作为输入信号，用交流毫伏表测量U i 和U o 有效值，用示波器观察输入输出电压的波形，把测量结果记入下表 U i =248mV
4.观察静态工作点对电压放大倍数的影响 将R L 开路，R C =2k欧姆，输入适当u i 。改变R b2 ，将数据填入下表 U i =106.06mV 注意：测量U CE 时它是静态参数。 5.输入电阻和输出电阻的测量 输入端开关打开，用交流毫伏表测量U i 和U s ，计算输入电阻 R i =U i /I i =R s *U i /(U s -U i ) 闭合输入端开关，打开和闭合输出端开关，用交流毫伏表测量U L 和U O ，计 算输出电阻 R O =（U O /U L -1）*R L 6.最大不是真输出电压V opp 的测量 同时调节输入信号的幅度和电位器R b2 ，用示波器和交流毫伏表测量填表 7.幅频特性的测量 采用主点法进行测量，填表。
摘要 设计了一种应用于微光夜视仪检测设备中低噪声的光电检测系统，分析了电路中产生的主要噪声，并提出了抑制方法。系统采用光敏二极管作为光电检测器件，并利用单片机实现了光照度的实时显示与超差报警以及与上位机的通信。关键词：单片机；光电检测电路；光电二极管 Ａｂｓｔｒａcｔ Ａｌｏｗｎｏｉｓｅｌｉｇｈｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒａｎｉｇｈｔｖｉｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｔｈｅｎｏｉｓｅｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｔｕｄｙｈｏｗｔｏｃｈｅｃｋｔｈｅｍ．Ｉｎｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｉｓｕｓｅｄａｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎｄａｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，ａｌａｒｍａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｐhｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ；ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ． 0 引言 夜视技术在军事、工业、农业、科学研究、医药卫生等领域有着广泛的应用，特别是在军事方面的需求是夜视技术发展的原动力。在现代战争中，为了提升战争的突然性以及扩大战争的时间范围和空间范围，需要部队在星光或月光等微弱光照度情况下对战场进行侦查和监控，这就必须依靠夜视技术，所以，微光夜视仪设备的可靠性将直接影响到军队的战斗力。要确保每一个装备的夜视仪都是合格的，就对检测设备的技术指标提出了很高的要求。为模拟实际中的夜天光环境，在微光夜视仪检测设备中的光源要求色温为２８５６Ｋ，光照度的变化不超过±１０％。光应力源是否符合要求直接决定了整套系统工作的稳定性及判断结果的准确度，所以，为了保证检测设备的检测精度以及检测结果的准确性，要求对光源的照度变化进行实时监测。当光源变化超出规定范围时，能够及时报警，提示进行设备维修或光源的更换。 １系统设计与工作原理 系统主要包括：光电检测电路、光照度显示模块、超差报警模块、串口通信模块。具体原理是通过光电检测电路将采集到的外界自然光转换为相应的直流电压信号，再通过ＡＤＣ将电压信号转换为数字信号送入单片机，单片机将数据进行补偿算法获得精确的实际采样值，控制数码管显示实时光照度，一旦光照度不符合设计指标，则通过报警灯及蜂鸣器进行报警，同时，通过ＲＳ２３２串口与上位机进行通信。系统原理框图如图１所示。
收稿日期:2009-12-07 基金项目:光电系统信息控制技术国家级重点实验室基金(9140C150101090C1502)作者简介:胡涛(1979-),男,工程师,主要研究方向为模拟信号检测、数字信号处理. #电路与控制# 光电探测器前置放大电路设计与研究 胡 涛,司汉英 (光电系统信息控制技术国家级重点实验室,河北 三河 065201) 摘 要:光电探测器前置放大电路设计的好坏直接影响到整个系统的探测精度.介绍了光电探测器前置放大电路的设计与研究,主要阐述了光电转换电路、放大电路带宽、放大电路噪声、放大电路稳定性以及其他一些需要注意的问题,并设计了一种能够有效降低噪声和温飘,具有大的动态输入范围的放大电路. 关键词:光电探测器;前置放大;光电转换;带宽;噪声;稳定性 中图分类号:TN 215;TN 721 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2010)01-0052-04 Design and Research of Pre -amplifier Circuit from a Photoelectric Detector HU Tao,SI H an -ying (N ational L abor atory of Electro -Op tics Sy stem T echnology ,Sanhe 065201,China) Abstract:T he design of the pre -amplifier circuit of photoelectric detector systems can directly affect the de -tecting precision of the w hole systems.T he design of pre -am plifier circuit from a photoelectric detector was in -troduced.The photoelectric conversion circuit,amplifier circuit bandwidth,amplifier circuit noise,amplifier cir -cuit stabilization and other questions w ere mainly discussed,and an am plifier circuit capable of effectively decreas -ing the noise,the temperature drift and w ith a larg e dynamic range w as designed. Key words:photoelectric detector;pre -amplifier;electro -optic conversion;bandw idth;noise;stabilization 前置放大电路是把接收到的光信号转换成电信号,并对电信号进行放大,再与后面的信号处理系统对接.前置放大电路在整个光电探测系统中是非常重要的,它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏.在前置放大电路中,光信号和电信号要受到很多噪声的干扰.由于接收的光信号和转换后的电信号通常都比较微弱,很容易淹没在各种噪声中,所以在设计前置放大电路时,要尽量减小噪声,提高系统的信噪比,但是提高信噪比将会使频率特性变差,所以在设计电路时,要二者兼顾考虑. 运算放大器(operational am plifier)是将模拟信号放大的器件,它的应用范围极广,包括DC 放大、音频放大、视频放大、有源滤波器、模拟运算、信号变换等[1],可以说它是整个电路设计的基础.在为光 电探测器设计前置放大器电路时,必须知道如何选 定适当的运算放大器技术规格,来满足探测系统的设计要求. 1 前置放大电路设计 1.1 光电转换电路 PIN 光电二极管的PN 结中间设置了一层掺杂浓度很低的本征半导体,形成P-I-N 结构,本征层的引入加大了耗尽层区的厚度,并形成强电场区.由于入射光子只能在本征层内被吸收,光生载流子在强电场作用下加速运动至N 层,因此载流子渡越时间非常短,同时,耗尽层的加宽使结电容明显减 第25卷第1期 2010年2月 光电技术应用 EL ECT RO-O PT IC T ECHNOL OGY APPL ICAT I ON Vol.25,No.1Februar y.2010
光电脉搏信号检测电路设计 生物医学工程１班－唐维－3004202327 摘要：系统采用硅光电池做为光电效应手指脉搏传感器识取脉搏信号。信号经放大后采用低通放大器克服干扰。 关键词：脉搏测量放大器二阶低通 一、前言 脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。随着科学技术的发展，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点, 可通过传感器对脉搏信号进行检测,这种技术具有先进性、实用性和稳定性,同时也是生物医学工程领域的发展方向。本文将详细介绍一种光传导式的脉搏信号检测电路，并说明所涉及到的问题和方法。 二、系统设计 1 系统目标设计及意义 设计制作一个光电脉搏测试仪，通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，并在显示器上显示所测的脉搏跳动波形，要求测量稳定、准确、性能良好。 2 设计思想 （1）传感器：利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化（当心脏收缩时，微血管容积增大；当心脏舒张时,微血管容积减少），当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化, 而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变
的, 这样就把人体的脉搏(非电学量) 转换为相应于脉博的电信号, 方便检测。 （2）按正常人脉搏数为60~80次/min ，老人为100~150次/min ，在运动后最高跳动次数为240次/ min 设计低通放大器。5Hz 以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地方，应注意保留。 （3）测量中考虑到并要消除的干扰有：环境光对脉搏传感器测量的影响、电磁干扰对脉搏传感器的影响、测量过程中运动的噪声还有50Hz 干扰。 （4）由于透过指尖射到硅光电池的光强很小，输出短路电流约为0.1uA ～3 uA ，所以总共放大106倍以便于观察。传感器得到的脉搏信号极为微弱，很容易淹没在噪声及干扰信号之中，所以对取得的微弱信号先进行放大后再滤波。设计两极放大，因为三级放大个别电路板的零点漂移大得足以达到满幅，测量不准确。每个单级放大器的放大倍数不大于30，以免自激振荡。 （5）所选的电阻参数要尽量精确， IC 选用偏置电流小、输入失调电压小的运算放大器，考虑到性价比，使用LM324。由于硅光电池的输出短路电流受光照变化较大，使得输出变化大，所以采用12V 双电源供电。 3 整体框图 本系统共分为三个模块： 方框图中各部分的作用是： （1）传感器：将脉搏的跳动转换为电压信号，放大104倍。 （2）一级放大电路：对微弱信号进行放大，放大约20倍 （3）二阶低通滤波电路： 滤除干扰信号并进一步放大，再放大约20倍。 4 单元电路的设计
实验一单级放大电路的设计和仿真 一、实验目的 1、掌握放大电路静态工作点的调整和测试方法。 2、掌握放大电路的动态参数的测试方法。 3、观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。 二、实验要求 1、设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率5kHz(幅度1mV) ，负载电阻5.1kΩ，电压增益大于50。 2、调节电路静态工作点(调节电位计)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。 3、加入信号源频率5kHz(幅度1mV) ，调节电路使输出不失真，测试此时的静态工作点值。测电路的输入电阻、输出电阻和电压增益； 4、测电路的频率响应曲线和f L、f H值。 三、设计原理图 Rb1=160kΩ,Rb2=80.6kΩ,Rc=2.2kΩ,Re=1.65kΩ,C1=C2=10uF,Ce=100uF,RL=3,9kΩ，R1=10Ω 四、实验过程 1、观测饱和失真、截止失真与不失真 <1饱和失真的观测 使Rb1=51kΩ，用示波器观测波形，并做直流工作点分析。此时的静态工作点，ICQ=3.05334mA,IBQ=49.41790uA,VCEQ=130.534mV
静态工作点 <2截止失真的观测 使Rb2=20.0k ，信号源电压峰值40mv，用示波器观测波形，并做直流工作点分析。此时的静态工作点，ICQ=418.088uA,IBQ=1.88563uA,VCEQ=10.382913V 不失真
静态工作点 <2不截止失真的观测 用示波器观测波形，并做直流工作点分析。此时的静态工作点，ICQ=1.78125mA,IBQ=8.28494uA,VCEQ=5.18389V
紫外探测器：碳化硅（SiC）材质，响应波段200-400nm。应用：火焰探 测和控制、紫外测量、控制杀菌灯光、医疗灯光的控制等。———————————————————————————————————————————— 可见光探测器：硅（Si）材质，响应波段200-1100nm。有室温、热电制 冷两种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。主要用在测温、 激光测量、激光检测、光通信等领域。 ———————————————————————————————————————————— 红外探测器（1）：锗（Ge）材质，响应波段0.8-1.8um，有室温、热电制 冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。主要 应用在光学仪表、光纤测温、激光二极管、光学通信、温度传感器等 ———————————————————————————————————————————— 红外探测器（2）：铟钾砷（InGaAs）材质，响应波段0.8-2.6um，波段内 可以进行优化。有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前 放，可以配光纤输出，多种封装形式可选。主要应用在光通信、测温、 气体分析、光谱分析、水分分析、激光检测、激光测量、红外制导等领 域。 ———————————————————————————————————————————— 红外探测器（3）：砷化铟（InAs）材质，响应波段1-3.8um，有室温和热 电制冷两种，可以配内置前放，多种封装形式可选。主要用于激光测量、 光谱分析、红外检测、激光检测等领域。
红外探测器（4）：锑化铟（InSb）材质，响应波段2-6um，液氮制冷， 可以带内置前放，多种封装形式可选。主要应用在光谱测量、气体分析、 激光检测、激光测量、红外制导等领域。———————————————————————————————————————————— 红外探测器（5）：硫化铅（PbS）材质，响应波段为1-3.5um，有室温和 热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。主要应用在NDIR 光谱学、光学测温、光谱学、湿气分析，火焰探测、火星探测等。———————————————————————————————————————————— 红外探测器（6）：硒化铅（PbSe）材质，响应波段为1-4.5um，有室温 和热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。主要应用在 NDIR光谱学、光学测温、光谱学、湿气分析，火焰探测、火星探测等。———————————————————————————————————————————— 红外探测器（7）：碲镉汞（HgCdTe）材质探测器：响应波段2-26um， 可以对不同的波段进行优化，分为光伏型和光导型，探测率高，响应时 间快，有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式可选。———————————————————————————————————————————— 雪崩光电探测器（APD）：主要有硅、锗、铟钾砷三种材质，多种封 装形式可选。主要应用于光通信、遥感技术、功率测量、红外线测量、 温度测量、光通信、光谱仪，激光测距等领域。