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(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。 對光電轉換電路從原理設計到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準和依據(jù)。

　　光電技術是將傳統(tǒng)的光學技術與現(xiàn)代電子技術與計算機技術相結合的一種高新技術。 以光電轉換電路為的光電檢測技術已經(jīng)被廣泛地應用到軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學、醫(yī)療和航天等諸多領域。 所謂的光電轉換是以光電二極管為基礎器件， 通過將照射于二極管上光通量的改變量轉化為相應的光電流，再經(jīng)過前置放大、主放大等后續(xù)電路進一步優(yōu)化有用信號， 實現(xiàn)與上位機與相應算法的連接。 由此可見， 任何光電檢測系統(tǒng)中， 光電轉換電路的設計與優(yōu)化都是重中之重， 它性能的穩(wěn)定以及相關參數(shù)的合理性將決定著整個檢測系統(tǒng)的設計成敗。

　　1  光電轉換- 前置放大電路的設計

　　光電二極管在受到光照時， 會產(chǎn)生一個與照度成正比的小電流， 因此是很好的光- 電傳感器。 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地線性工作； 而在光導模式時， 光電二極管能夠實現(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。

　　理想的光電二極管有恒流源的特性， 當其負載電阻為零時輸出特性較好， 而由理想放大器構成的前置放大電路又有 虛短、虛斷！的概念， 其輸入阻抗R in= Rf / （ 1+ A ） ，式中， A 為運算放大器的開環(huán)增益， Rf 為反饋電阻。 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 前置放大轉換。

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。 光電二極管與后續(xù)的理想運放構成前置放大電路時， 影響其性能參數(shù)的因素主要是以下幾點：

全文PDF：