由運放構成的光信號IV轉換電路

一、光信號傳感器

光電池是一種將光信號轉化為電信號的器件，在光照下會產生電動勢; 光電二極管也是將光的能量轉化為電能，兩者主要區別有：制作工藝不同、響應速度不同、靈敏度不同、工作方式不同，其中光電池可以工作在零偏狀態下，光電二極管工作在反偏狀態下。

光電二極管又分為:PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)。

光信號傳感器應用廣泛，包括：通信、交通、航天、醫療、工業等領域。

二、原理及分析

原理圖如下圖所示：

2.1 器件功能介紹

D1表示光信號傳感器，不同的傳感器對照入的光敏感性不同，可以根據器件的光譜響應曲線中查到對不同波長的敏感度。 在相同波長下，光強越強，進入電路中的電流越大。

R2是IV變換比的電阻，假設R2=1KΩ，表示有1mA的電流輸入，則在運放輸出端會得到1V的信號，則IV變換比為：1000：1。

C1的引入作為是改變電路頻率特性，降低高頻噪聲。 一般光信號傳感器都會有結電容的存在，當信號頻率過高時，結電容和反饋電阻會有發生振蕩的可能，所以C1在這里也會起到相位補償的作用。

運放是此電路的主要器件，根據虛短、虛斷特性，當D1中的電流發生變化時，PIN2的電勢不受影響，相當于接到虛地，這樣D1的電流全部流過R2，可以可靠的將電流轉化為電壓。

2.2 頻率因素

此電路的頻率響應是重要的設計參數之一，所以重點提出幾點注意事項。

1) 運放帶寬的影響

對小信號來說，運放的帶寬是決定處理信號頻率范圍最主要的參數，帶寬越寬，高頻特性越好，能處理信號的頻率越高。

2) 運放壓擺率的影響

壓擺率也稱為轉換速率，是運放在閉環情況下，一個大信號從運放輸入端輸入，從運放輸出端測得信號的上升速率，體現的是運放對信號變化速度的反映能力，在大信號輸入時，要關注這一參數，便于評估對速度的要求。

3) 光信號傳感器結電容的影響

一般情況，感光面積越大，結電容也會越大; 為減小結電容多數情況都需要加一個反向偏壓，結電容與反向偏壓是反比的曲線關系。 在較高速率要求的光信號傳感器，光敏面積很小。 例如，APD的制作工藝感光面積極小，再加上較大的偏壓，信號頻率可以高達1G，常應用于光通信行業。

4) 電容C1的取值影響

在上一章已有對C1的介紹，取值上除了要考慮抵消光傳感器結電容的相位補償，還要綜合R2的值，計算頻率帶寬。 實際設計中，根據噪聲情況，可以把此處的帶寬適當的放寬一些。 而在后端的處理電路中，根據信號情況，再把帶寬收緊。

2.3 頻率變化波形圖示

如果IV變換比為1000，由于上述4條因素的作用，并不是對所有的頻率信號IV變換比都是1000，當信號頻率增大到一定程度時，IV變換比會下降。 以高斯波形驅動發光管，照射光電二極管為例，經同一種電路IV變換后，幾種不同頻率下的輸出波形如下：