光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與優(yōu)化

?? 摘 要： 通過對光電轉(zhuǎn)換電路的前置放大及主放大電路設(shè)計的詳細(xì)分析研究， 給出了電路放大、濾波、降噪等優(yōu)化處理方法， 實現(xiàn)了將有用信號從噪聲中分離并輸出的目的。 對光電轉(zhuǎn)換電路從原理設(shè)計到最終制板過程中影響其性能參數(shù)及穩(wěn)定性的因素進行了深入的探討， 提出了對電路器件選擇、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

　　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，而是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電傳感器件。 　　光電二級管是怎樣把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的呢？普通二極管在反向電壓作用時處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使PN結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，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的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“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)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(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， 光電二極管可以非常精確地線性工作； 而在光導(dǎo)模式時， 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， 反偏置模式下的光電二極管即使在無光照條件下也會產(chǎn)生一個極小的暗電流， 暗電流可能會引入輸入噪聲。 因此選用光伏模式。

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。 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。 通過反饋電阻將光電二極管與運算放大器相連接， 將其產(chǎn)生的微弱電流通過較大的反饋電阻Rf形成壓降， 從而實現(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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圖1 光電二極管的工作模式

　　光電二極管的選擇依據(jù)：

圖2 光電二極管等效電路

　　圖2 中I sc 為光電流； Rd 為二極管內(nèi)阻； Cd 為二級管結(jié)電容　　

????? ?I ns 為二級管的散粒噪聲電流； I nd為二極管內(nèi)阻的熱噪聲電流。