一种光敏二极管的暗电流补偿电路

1.本发明属于集成电路光敏检测技术领域，具体涉及一种光敏二极管的暗电流补偿电路。


背景技术：

2.随着现代科学技术的发展，光电检测的应用领域日益扩大，检测电路的噪声问题越来越受到人们的关注，其中噪声就包括光敏二极管的暗电流。暗电流可以定义为没有光入射的情况下探测器存在的漏电流，其大小影响着光接收机的灵敏度大小，是探测器的主要指标之一。
3.现有技术中通常在器件内部解决光敏二极管的暗电流问题，或采用开关电路，这会不可避免的引入开关噪声，采用实际电路去解决暗电流问题的方法较为少见。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种光敏二极管的暗电流补偿电路，以解决上述提到的问题。
5.本发明所采用的技术方案是：一种光敏二极管的暗电流补偿电路，包括光敏二极管的遮光处理电路、光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路、电压跟随器u1、电压跟随器u3、减法器、三运放仪表放大器；所述光敏二极管的遮光处理电路用于将光敏二极管产生的暗电流转换成电压信号输出；光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路用于将光敏二极管暗电流和光照电流转换成电压信号输出；电压跟随器u1用于采集光敏二极管的遮光处理电路的输出电压并输出至减法器；电压跟随器u3用于采集光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路的输出电压并输出至减法器；减法器用于将光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路输出的电压减去光敏二极管的遮光处理电路输出的电压，得到纯净的光照电流转换的电压信号；三运放仪表放大器用于对与暗电流无关的电压信号进行放大处理，以便于后级电路对电压值的采集。
6.作为本发明的优选技术方案：所述光敏二极管的遮光处理电路包括电阻r1、光敏二极管d1、恒流源i2、电容c2；电阻r1一端接电源电压vcc，另一端接恒流源i2，光敏二极管d1的正端和负端接恒流源i2的两端，恒流源i2一端接电压跟随器u1的同相输入端，另一端接地，电容c2的两端接恒流源i2的两端。
7.作为本发明的优选技术方案：所述光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路包括电阻r3、恒流源i3、电容c1、恒流源i1；电阻r3一端接电源电压vcc，另一端接恒流源i3，恒流源i3一端接电压跟随器u3的同相输入端，另一端接地，电容c1的两端接恒流源i3的两端，恒流源i1一端接电压跟随器u3的同相输入端，另一端接地。
8.作为本发明的优选技术方案：所述电压跟随器u1包括可变电阻r2、电阻r6；电压跟随器u1的7脚接电源电压vcc，可变电阻r2一端接电压跟随器u1的8脚，另一端接电压跟随器u1的1脚，电阻r6一端接电压跟随器u1的反相输入端，另一端接电压跟随器u1的输出端，电压跟随器u1的4脚接负电压供电vee。
9.作为本发明的优选技术方案：所述电压跟随器u3包括可变电阻r4、电阻r5；电压跟随器u3的7脚接电源电压vcc，可变电阻r4一端接电压跟随器u3的8脚，另一端接电压跟随器u3的1脚，电阻r5一端接电压跟随器u3的反相输入端，另一端接电压跟随器u3的输出端，电压跟随器u3的4脚接负电压供电vee。
10.作为本发明的优选技术方案：所述减法器包括电阻r18、电阻r17、可变电阻r14、电阻r16、电阻r15；电阻r18一端接电压跟随器u3的输出端，另一端接减法器u7的同相输入端，减法器u7的7脚接电源电压vcc，可变电阻r14一端接减法器u7的8脚，另一端接减法器u7的1脚，减法器u7的输出端接运放u5的同相输入端，电阻r15一端接减法器u7的反相输入端，另一端接减法器u7的输出端，电阻r16一端接电压跟随器u1的输出端，另一端接减法器u7的反相输入端，电阻r15一端接减法器u7的反向输入端，另一端接减法器u7的输出端，减法器u7的4脚接负电压供电vee。
11.作为本发明的优选技术方案：所述三运放仪表放大器包括电容c3、运放u5、电容c4、电阻r9、电阻r8、电阻r13、电阻r10、电容c6、运放u4、电容c5、电阻r12、电阻r11、电容c7、运放u6、电容c8、电阻r20；电容c3一端接电源电压vcc，另一端接地，运放u5的7脚接电源电压vcc，电容c4一端接负电压供电vee，另一端接地，运放u5的4脚接负电压供电vee，电阻r9一端接运放u5的反向输入端，另一端接运放u5的输出端，电阻r8一端接运放u5的输出端，另一端接运放u6的反相输入端，电阻r13一端接运放u5的反向输入端，另一端接运放u4的反向输入端，电阻r10一端接运放u4的反向输入端，另一端接运放u4的输出端，电容c6的一端接负电压供电vee，另一端接地，运放u4的4脚接负电压供电vee，运放u4的同相输入端接地，电容c5的一端接电源电压vcc，另一端接地，运放u4的7脚接电源电压vcc，电阻r12一端接运放u4的输出端，另一端接运放u6的同相输入端，电阻r11一端接运放u6的反向输入端，另一端接运放u6的输出端，运放u6的4脚接负电压供电vee，电容c7一端接负电压供电vee，另一端接地，运放u6的7脚接电源电压vcc，电容c8的一端接电源电压vcc，另一端接地，电阻r20一端接运放u6的同相输入端，另一端接地。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出的一种光敏二极管的暗电流补偿电路设计新颖，使用方便，检测灵敏度高，可将极其微弱的光照信号放大，以便于后级电路对电压值的采集，实用性强。
附图说明
13.图1：本发明的电路连接示意图一；
14.图2：本发明的电路连接示意图二；
15.图3：本发明用于观察光照电流10na情况下，此时电压跟随器和减法器探针的示数的示意图；
16.图4：本发明用于观察光照电流10na情况下，此时减法器电压表xmm1示数和三运放仪表放大器电压表xmm2示数的示意图；
17.图5：本发明不显示图4电压表的示意图；
18.图6：本发明用于观察光照电流1μa情况下，提取到的与暗电流无关的电压信号的大小及其放大后的电压信号的大小的示意图；
19.图7：本发明不显示图6电压表的示意图；
20.图8：本发明用于观察光照电流100pa情况下，提取到的与暗电流无关的电压信号的大小及其放大后的电压信号的大小的示意图；
21.图9：本发明不显示图8电压表的示意图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.如图1-2所示，为本发明提出的一种光敏二极管的暗电流补偿电路，包括光敏二极管的遮光处理电路、光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路、电压跟随器、减法器、三运放仪表放大器五部分构成。光敏二极管的遮光处理电路用于将光敏二极管产生的暗电流转换成电压信号输出；光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路用于将光敏二极管暗电流和光照电流转换成电压信号输出；电压跟随器u1用于采集光敏二极管的遮光处理电路的输出电压并输出至减法器；电压跟随器u3用于采集光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路的输出电压并输出至减法器；减法器用于将光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路输出的电压减去光敏二极管的遮光处理电路输出的电压，得到纯净的光照电流转换的电压信号；三运放仪表放大器用于对与暗电流无关的电压信号进行放大处理，以便于后级电路对电压值的采集。
24.光敏二极管的遮光处理电路包括电阻r1、光敏二极管d1、恒流源i2、电容c2；电阻r1一端接电源电压vcc，另一端接恒流源i2，光敏二极管d1的正端和负端接恒流源i2的两端，恒流源i2一端接电压跟随器u1的同相输入端，另一端接地，电容c2的两端接恒流源i2的两端。
25.光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路包括电阻r3、恒流源i3、电容c1、恒流源i1；电阻r3一端接电源电压vcc，另一端接恒流源i3，恒流源i3一端接电压跟随器u3的同相输入端，另一端接地，电容c1的两端接恒流源i3的两端，恒流源i1一端接电压跟随器u3的同相输入端，另一端接地。
26.电压跟随器u1包括可变电阻r2、电阻r6；电压跟随器u1的7脚接电源电压vcc，可变电阻r2一端接电压跟随器u1的8脚，另一端接电压跟随器u1的1脚，电阻r6一端接电压跟随器u1的反相输入端，另一端接电压跟随器u1的输出端，电压跟随器u1的4脚接负电压供电vee。
27.电压跟随器u3包括可变电阻r4、电阻r5；电压跟随器u3的7脚接电源电压vcc，可变电阻r4一端接电压跟随器u3的8脚，另一端接电压跟随器u3的1脚，电阻r5一端接电压跟随器u3的反相输入端，另一端接电压跟随器u3的输出端，电压跟随器u3的4脚接负电压供电vee。
28.减法器包括电阻r18、电阻r17、可变电阻r14、电阻r16、电阻r15；电阻r18一端接电压跟随器u3的输出端，另一端接减法器u7的同相输入端，减法器u7的7脚接电源电压vcc，可变电阻r14一端接减法器u7的8脚，另一端接减法器u7的1脚，减法器u7的输出端接运放u5的同相输入端，电阻r15一端接减法器u7的反相输入端，另一端接减法器u7的输出端，电阻r16一端接电压跟随器u1的输出端，另一端接减法器u7的反相输入端，电阻r15一端接减法器u7
的反向输入端，另一端接减法器u7的输出端，减法器u7的4脚接负电压供电vee。
29.三运放仪表放大器包括电容c3、运放u5、电容c4、电阻r9、电阻r8、电阻r13、电阻r10、电容c6、运放u4、电容c5、电阻r12、电阻r11、电容c7、运放u6、电容c8、电阻r20；电容c3一端接电源电压vcc，另一端接地，运放u5的7脚接电源电压vcc，电容c4一端接负电压供电vee，另一端接地，运放u5的4脚接负电压供电vee，电阻r9一端接运放u5的反向输入端，另一端接运放u5的输出端，电阻r8一端接运放u5的输出端，另一端接运放u6的反相输入端，电阻r13一端接运放u5的反向输入端，另一端接运放u4的反向输入端，电阻r10一端接运放u4的反向输入端，另一端接运放u4的输出端，电容c6的一端接负电压供电vee，另一端接地，运放u4的4脚接负电压供电vee，运放u4的同相输入端接地，电容c5的一端接电源电压vcc，另一端接地，运放u4的7脚接电源电压vcc，电阻r12一端接运放u4的输出端，另一端接运放u6的同相输入端，电阻r11一端接运放u6的反向输入端，另一端接运放u6的输出端，运放u6的4脚接负电压供电vee，电容c7一端接负电压供电vee，另一端接地，运放u6的7脚接电源电压vcc，电容c8的一端接电源电压vcc，另一端接地，电阻r20一端接运放u6的同相输入端，另一端接地。
30.具体实施时，如图3所示，为本发明用于观察光照电流10na情况下，此时电压跟随器和减法器探针的示数。当暗电流用恒流源i2代替时，在电阻r1上产生了压降，从而电压跟随器u1的同相输入端为4.8v，与电压跟随器u1的探针示数一致。其中，电压跟随器u1采用正负15v电源电压供电，电阻r2起到一个调零作用，从而避免电路上有误差。同理，光照电流i3和暗电流i1在电阻r3上产生了压降，从而电压跟随器u3的同相输入端为4.79v，与电压跟随器u3的探针示数一致。电压跟随器u1和电压跟随器u3选用的器件应相同。减法器用于将光敏二极管暗电流和光照电流的叠加电路输出的电压减去光敏二极管的遮光处理电路输出的电压，从而得到纯净的光照电流转换的电压信号，因此减法器的输出电压为4.79v-4.8v＝-10mv，与减法器u7的探针示数一致。所有仿真结果均与理论值一致。
31.如图4-5所示，为本发明用于观察光照电流10na情况下，此时减法器和三运放仪表放大器电压表的示数。用电压表测得减法器u7的输出电压为-9.997mv，与图2中减法器u7的探针示数极为近似。三运放仪表放大器，电阻r9，电阻r10阻值应相同，电阻r8，电阻r11，电阻r12，电阻r20阻值应相同。三运放仪表放大器分为两级放大，第一级放大倍数计算公式为1 2r9/r13，得出第一级放大倍数为10，第二级放大倍数计算公式为-r11/r8，得出第二级放大倍数为-1，相当于将电压信号反相，并没有放大，因此三运放仪表放大器的总放大倍数为-10，从而与暗电流无关的电压信号放大后的输出理论值为100mv，这与电压表xmm2示数极为近似。
32.如图6-7所示，为本发明用于观察光照电流1μa情况下，提取到的与暗电流无关的电压信号的大小及其放大后的电压信号的大小。根据图3-5所示，可推算出光照电流1μa的情况下，减法器u7的输出电压理论值能达到-1v，与电压表xmm1示数极为近似；与暗电流无关的电压信号放大后的输出理论值能达到10v，这与电压表xmm2示数一致。
33.如图8-9所示，为本发明用于观察光照电流100pa情况下，提取到的与暗电流无关的电压信号的大小及其放大后的电压信号的大小。根据图3-5所示，可推算出光照电流100pa的情况下，减法器u7的输出电压理论值仅为-96.9μv，与电压表xmm1示数极为近似；与暗电流无关的电压信号放大后的输出理论值仅为1.1mv，这与电压表xmm2示数极为近似。
34.以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。