光电转换电路的设计与优化

　　摘 要： 通过对光电转换电路的前置放大及主放大电路设计的详细分析研究， 给出了电路放大、滤波、降噪等优化处理方法， 实现了将有用信号从噪声中分离并输出的目的。 对光电转换电路从原理设计到最终制板过程中影响其性能参数及稳定性的因素进行了深入的探讨， 提出了对电路器件选择、排列、布线以及降噪等方法的选择标准和依据。

　　光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术［ 1］。以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、 工业、 农业、 环境科学、 医疗和航天等诸多领域。所谓的光电转换是以光电二极管为基础器件，通过将照射于二极管上光通量的改变量转化为相应的光电流，再经过前置放大、 主放大等后续电路进一步优化有用信号，最后实现与上位机与相应算法的连接。 由此可见，任何光电检测系统中，光电转换电路的设计与优化都是重中之重，它性能的稳定以及相关参数的合理性将决定着整个检测系统的设计成败.

　　1 光电转换- 前置放大电路的设计

　　光电二极管

　　光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。 　　光电二级管是怎样把光信号转换成电信号的呢？普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

　　光电二极管可以在2 种模式下工作， 一是零偏置的光伏模式； 一是反偏置的光导模式，具体电路如图1 所示。 在光伏模式时， 光电二极管可以非常精确地线性工作； 而在光导模式时， 光电二极管能够实现较高的切换速度， 但要牺牲线性； 同时， 反偏置模式下的光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗电流， 暗电流可能会引入输入噪声。 因此选用光伏模式。

　　运算放大器（Operational Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出的高增益电压放大器。在实际电路中，通常结合反馈网络和不同的反馈方式，共同组成某些功能和特性不同的模块，这些模块是各种电子电路中最基本的环节。可见运放在电子电路中的应用之广。

　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。

　　一般而言， A >=106 ， 所以R in ≈0； 即保证了光电二极管在光伏模式下的线性工作特性。 通过反馈电阻将光电二极管与运算放大器相连接， 将其产生的微弱电流通过较大的反馈电阻Rf形成压降， 从而实现光通量的改变—— 光电流——电压的I/ V 前置放大转换。

　　光电二极管的选择依据：

　　图2 中I sc为光电流; Rd 为二极管内阻; Cd 为二级管结电容; I ns 为二级管的散粒噪声电流; I nd为二极管内阻的热噪声电流。 光电二极管与后续的理想运放构成前置放大电路时， 影响其性能参数的因素主要是以下几点：

　　（ 1）反馈电阻 Rf ; 反馈电阻越大， 输出电压越大，通常取几百千伏或几十兆伏，但反馈电阻的选择也存在上限，因为前置放大与后续处理电路相连时会受到输入电压匹配的限制， 同时过大的反馈电阻会使电路产生自激震荡;

　　（ 2）设计合理的通频带; 通过电容 Cs 与反馈电阻Rf 的并联， 构成低通滤波电路，其上限截止频率为1/ 2%:Cs:Rf 。上限截止频率越小，信号输出信噪比越好;但较小的上限截止频率会使信号产生频率失真，具体使用时要根据实际情况调试而定;

　　（ 3）光电转换产生的光电流越大，前置放大得到的输出电压越大， 因此要尽可能选用灵敏度高的二极管，同时提高光信号的照射功率以增大光电流;

　　（ 4）选用内阻较大，结电容较小的光电二极管，同时保证工作温度恒定， 减小因环境温度升高而带来的额外的输入噪声。

　　2   主放大电路的设计

　　由于前置放大只是将微弱的光电流转换为电压信号，在进行实际处理时还要进一步放大，因此设计第二级主放大电路， 通过阻容耦合与前置放大电路相连.

　　由仿真结果可以看出光电二极管产生的微安级的弱光电流经前置放大电路可输出毫伏级的电压，所以仍需通过主放大电路进行后续处理。 主放大电路如图 4 所示; R 1~ R 5 电阻可实现电压放大倍数的多档可调，即所谓的灵敏度调节。

　　3 电路的优化设计

　　在实际光电测试系统中， 还应对光电转换电路进行诸如降噪、 滤波、 去耦等优化处理， 以实现较大的信噪比、 信号稳定性以及高灵敏度等特点。具体的优化措施有以下几点：

　　（ 1）由于运算放大器是双电源器件，通过合理的选择偏置电阻使光电转换前置放大电路的输出电压达到合适的幅值（即设置适当的静态工作点） ， 以获得最大的电压摆幅， 避免饱和失真。 如图 6 电路所示，电压输出设置于- 4 V 左右， 避免因强烈的环境光造成的饱和失真。

　　该放大电路经过仿真以后从波形中可以观察到输出电压被拉低到- 4 V 左右， 实现了合理设置静态工作点的目的;

　　（ 2）正负电压由运算放大器的4、 7 管脚引入， 同时设置旁路电容构成滤波电路， 消除电源纹波的干扰，降低输入噪声，提高信号信噪比;

　　（ 3）考虑到不同光电检测系统的使用环境，对于那些有强环境光干扰的测试场所，可以在电路设计之初就运用双光电二极管， 使其中一个暴露于测试环境中并与前置放大器反接， 达到消除杂散环境光干扰的作用;

　　（ 4）在电路的制板过程中还会因为器件排列、 布线、 线宽以及制作工艺等诸多因素引入噪声， 对测试结果产生一定的影响; 针对这些因素对 PCB 板的设计提出以下几点建议：

　　a.要求 PCB 出图时光电转换器件与前置运放间的信号线尽可能短;

　　b. V CC、 GND 等特殊网络的线宽要超过其他网络的线宽，推荐50 mi l 左右;

　　c.如果电路比较复杂，还应设计专门的电源层与接地层;

　　d.布线时两条走线之间应保持一定间距，避免产生电容效应，且走线以水平方向与竖直方向为最佳;

　　e.敷铜设计时最好将电源与运放隔开， 不要整板敷铜，避免噪声干扰;

　　（ 5） 在电路板的使用过程中要采取一定的屏蔽措施，如添加金属外壳（避免空气中高频电磁波的干扰） ，或接地（消除噪声）等;

　　基于以上设计原则，设计光电转换放大电路并制板，以玩具气枪模拟真实弹丸验证该测试系统，搭建400 mm & 10 m 的有效靶面， 分别从有效靶区范围内 0、 5、 10 m 处在 400 mm 光幕的上、 中、 下 3 个不同光强区域验证弹丸过靶信号; 噪声稳定保持在100 mV 左右，而最弱区域有用信号达到2 V 上下，性能较为稳定，信噪比好，能够满足测试需求。

　　4 结束语

　　文中对光电转换电路设计中可能遇到影响其性能参数的诸多因素作出了详尽的分析与讨论，通过合理的选择调试器件参数，可以使检测系统的性能趋于最佳，对于较为微弱的光信号也有探测能力。在实际应用当中，还应根据具体问题具体分析，才能设计出满足不同需求的光电转换电路测试系统。(作者：宋涛；张斌，罗倩倩)

　　参考文献

　　［ 1］ 刘斌，张秋蝉。 光电检测前置放大电路的设计［ J］ 。 燕山大学学报， 2003， 27（ 3） ： 194- 196.

　　［ 2］ 李威，罗春华， 杨臻。 基于光电信号转换原理与单片机的弹丸测速系统［ J］ 。 机械管理开发， 2008， 23（ 6） ： 29-30.

　　［ 3］ 刘卫东， 刘延冰，刘建国。 检测为弱光信号的 PIN 光电检测电路设计［ J］ 。电测与仪表， 1994（ 4） ： 28- 30.

　　［ 4］ 张若岚。电路系统中噪声问题研究［ J］ 。电子技术， 2001（ 2） ： 62- 65.