光電轉換電路的設計與優(yōu)化

摘 要： 通過(guò)對光電轉換電路的前置放大及主放大電路設計的詳細分析研究， 給出了電路放大、濾波、降噪等優(yōu)化處理方法， 實(shí)現了將有用信號從噪聲中分離并輸出的目的。 對光電轉換電路從原理設計到最終制板過(guò)程中影響其性能參數及穩定性的因素進(jìn)行了深入的探討， 提出了對電路器件選擇、排列、布線(xiàn)以及降噪等方法的選擇標準和依據。

　　1 光電轉換- 前置放大電路的設計

　　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(gè)PN結組成的半導體器件，也具有單方向導電特性。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉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換成電信號的呢？普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止狀態(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時(shí)盡量使PN結的面積相對較大，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(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(chēng)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、效應等把物理量或化學(xué)量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。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“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的系統”。傳感器是傳感系統的一個(gè)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(xiàn)性工作； 而在光導模式時(shí)， 光電二極管能夠實(shí)現較高的切換速度， 但要犧牲線(xiàn)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。

。 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(xiàn)性工作特性。 通過(guò)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(guò)較大的反饋電阻Rf形成壓降， 從而實(shí)現光通量的改變—— 光電流——電壓的I/ V 前置放大轉換。

圖1 光電二極管的工作模式

　　光電二極管的選擇依據：

圖2 光電二極管等效電路

　　圖2 中I sc 為光電流； Rd 為二極管內阻； Cd 為二級管結電容　　

I ns 為二級管的散粒噪聲電流； I nd為二極管內阻的熱噪聲電流。