光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方案（一）

1、光電轉(zhuǎn)換-前置放大電路的設(shè)計(jì)

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娞匦浴５陔娐分兴皇亲髡髟前压?a target="_blank">信號(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。

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（OperationalAmplifier，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)。可見(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Rin≈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。

光電二極管的選擇依據(jù)：

圖2中Isc為光電流;Rd為二極管內(nèi)阻;Cd為二級(jí)管結(jié)電容;Ins為二級(jí)管的散粒噪聲電流;Ind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;R1~R5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)。