中心議題：

• 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)
• 光電轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

解決方案：

• 前置放大電路的設(shè)計(jì)
• 主放大電路的設(shè)計(jì)
• 光電轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)化措施

本文通過(guò)對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路的前置放大及主放大電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)分析研究， 給出了電路放大、濾波、降噪等優(yōu)化處理方法， 實(shí)現(xiàn)了將有用信號(hào)從噪聲中分離并輸出的目的。 對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路從原理設(shè)計(jì)到最終制板過(guò)程中影響其性能參數(shù)及穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了深入的探討， 提出了對(duì)電路器件選擇、排列、布線以及降噪等方法的選擇標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

1 光電轉(zhuǎn)換- 前置放大電路的設(shè)計(jì)

光電二極管
光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器件。光電二級(jí)管是怎樣把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的呢？普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。

凡是利用一定的物性（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。

光電二極管可以在2 種模式下工作， 一是零偏置的光伏模式； 一是反偏置的光導(dǎo)模式，具體電路如圖1 所示。 在光伏模式時(shí)， 光電二極管可以非常精確地線性工作； 而在光導(dǎo)模式時(shí)， 光電二極管能夠?qū)崿F(xiàn)較高的切換速度， 但要犧牲線性； 同時(shí)， 反偏置模式下的光電二極管即使在無(wú)光照條件下也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極小的暗電流， 暗電流可能會(huì)引入輸入噪聲。 因此選用光伏模式。

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合﹐差模（差動(dòng)模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)和不同的反饋方式，共同組成某些功能和特性不同的模塊，這些模塊是各種電子電路中最基本的環(huán)節(jié)?？梢?jiàn)運(yùn)放在電子電路中的應(yīng)用之廣。

電阻，物質(zhì)對(duì)電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡(jiǎn)稱絕緣體。

一般而言， A >=106 ， 所以R in ≈0； 即保證了光電二極管在光伏模式下的線性工作特性。 通過(guò)反饋電阻將光電二極管與運(yùn)算放大器相連接， 將其產(chǎn)生的微弱電流通過(guò)較大的反饋電阻Rf形成壓降， 從而實(shí)現(xiàn)光通量的改變—— 光電流——電壓的I/ V 前置放大轉(zhuǎn)換。

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光電二極管的選擇依據(jù)：

圖2 中I sc為光電流; Rd 為二極管內(nèi)阻; Cd 為二級(jí)管結(jié)電容; I ns 為二級(jí)管的散粒噪聲電流; I nd為二極管內(nèi)阻的熱噪聲電流。 光電二極管與后續(xù)的理想運(yùn)放構(gòu)成前置放大電路時(shí)， 影響其性能參數(shù)的因素主要是以下幾點(diǎn)：
（1）反饋電阻 Rf ; 反饋電阻越大， 輸出電壓越大，通常取幾百千伏或幾十兆伏，但反饋電阻的選擇也存在上限，因?yàn)榍爸梅糯笈c后續(xù)處理電路相連時(shí)會(huì)受到輸入電壓匹配的限制， 同時(shí)過(guò)大的反饋電阻會(huì)使電路產(chǎn)生自激震蕩;
（2）設(shè)計(jì)合理的通頻帶; 通過(guò)電容 Cs 與反饋電阻Rf 的并聯(lián)， 構(gòu)成低通濾波電路，其上限截止頻率為1/ 2%:Cs:Rf 。上限截止頻率越小，信號(hào)輸出信噪比越好;但較小的上限截止頻率會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生頻率失真，具體使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)試而定;
（3）光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光電流越大，前置放大得到的輸出電壓越大， 因此要盡可能選用靈敏度高的二極管，同時(shí)提高光信號(hào)的照射功率以增大光電流;
（4）選用內(nèi)阻較大，結(jié)電容較小的光電二極管，同時(shí)保證工作溫度恒定， 減小因環(huán)境溫度升高而帶來(lái)的額外的輸入噪聲。

2   主放大電路的設(shè)計(jì)

由于前置放大只是將微弱的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在進(jìn)行實(shí)際處理時(shí)還要進(jìn)一步放大，因此設(shè)計(jì)第二級(jí)主放大電路， 通過(guò)阻容耦合與前置放大電路相連.

由仿真結(jié)果可以看出光電二極管產(chǎn)生的微安級(jí)的弱光電流經(jīng)前置放大電路可輸出毫伏級(jí)的電壓，所以仍需通過(guò)主放大電路進(jìn)行后續(xù)處理。 主放大電路如圖 4 所示; R 1~ R 5 電阻可實(shí)現(xiàn)電壓放大倍數(shù)的多檔可調(diào)，即所謂的靈敏度調(diào)節(jié)。

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3 電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際光電測(cè)試系統(tǒng)中， 還應(yīng)對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行諸如降噪、 濾波、 去耦等優(yōu)化處理， 以實(shí)現(xiàn)較大的信噪比、 信號(hào)穩(wěn)定性以及高靈敏度等特點(diǎn)。具體的優(yōu)化措施有以下幾點(diǎn)：
（1）由于運(yùn)算放大器是雙電源器件，通過(guò)合理的選擇偏置電阻使光電轉(zhuǎn)換前置放大電路的輸出電壓達(dá)到合適的幅值（即設(shè)置適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)） ， 以獲得最大的電壓擺幅， 避免飽和失真。 如圖 6 電路所示，電壓輸出設(shè)置于- 4 V 左右， 避免因強(qiáng)烈的環(huán)境光造成的飽和失真。

該放大電路經(jīng)過(guò)仿真以后從波形中可以觀察到輸出電壓被拉低到- 4 V 左右， 實(shí)現(xiàn)了合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的目的;

（2）正負(fù)電壓由運(yùn)算放大器的4、 7 管腳引入， 同時(shí)設(shè)置旁路電容構(gòu)成濾波電路， 消除電源紋波的干擾，降低