光电转换电路的设计与优化

摘 要： 通过对光电转换电路的前置放大及主放大电路设计的详细分析研究， 给出了电路放大、滤波、降噪等优化处理方法， 实现了将有用信号从噪声中分离并输出的目的。 对光电转换电路从原理设计到最终制板过程中影响其性能参数及稳定性的因素进行了深入的探讨， 提出了对电路器件选择、排列、布线以及降噪等方法的选择标准和依据。

光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术。 以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域。 所谓的光电转换是以光电二极管为基础器件， 通过将照射于二极管上光通量的改变量转化为相应的光电流，再经过前置放大、主放大等后续电路进一步优化有用信号， 最后实现与上位机与相应算法的连接。 由此可见， 任何光电检测系统中， 光电转换电路的设计与优化都是重中之重， 它性能的稳定以及相关参数的合理性将决定着整个检测系统的设计成败。

1 光电转换- 前置放大电路的设计

光电二极管在受到光照时， 会产生一个与照度成正比的小电流， 因此是很好的光- 电传感器。 光电二极管可以在2 种模式下工作， 一是零偏置的光伏模式； 一是反偏置的光导模式，具体电路如图1 所示。 在光伏模式时， 光电二极管可以非常精确地线性工作； 而在光导模式时， 光电二极管能够实现较高的切换速度， 但要牺牲线性； 同时， 反偏置模式下的光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗电流， 暗电流可能会引入输入噪声。 因此选用光伏模式。

理想的光电二极管有恒流源的特性， 当其负载电阻为零时输出特性较好， 而由理想放大器构成的前置放大电路又有 虚短、虚断！的概念， 其输入阻抗R in= Rf ⁄（ 1+ A ） ，式中， A 为运算放大器的开环增益， Rf 为反馈电阻。 一般而言， A >=106 ， 所以R in ≈0； 即保证了光电二极管在光伏模式下的线性工作特性。 通过反馈电阻将光电二极管与运算放大器相连接， 将其产生的微弱电流通过较大的反馈电阻Rf形成压降， 从而实现光通量的改变—— 光电流——电压的I⁄V 前置放大转换。

图1 光电二极管的工作模式

光电二极管的选择依据：

图2 光电二极管等效电路

图2 中I sc 为光电流； Rd 为二极管内阻； Cd 为二级管结电容； I ns 为二级管的散粒噪声电流； I nd为二极管内阻的热噪声电流。 光电二极管与后续的理想运放构成前置放大电路时， 影响其性能参数的因素主要是以下几点：

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