光電轉換電路的設計與優化

摘 要： 通過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、降噪等優化處理方法， 實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程中影響其性能參數及穩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處于截止狀態，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使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、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學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組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。

。 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， 光電二極管可以非常精確地線性工作； 而在光導模式時， 光電二極管能夠實現較高的切換速度， 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。

。 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， 將其產生的微弱電流通過較大的反饋電阻Rf形成壓降， 從而實現光通量的改變—— 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。