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。

　　光電技術是將傳統的光學技術與現代電子技術與計算機技術相結合的一種高新技術［ 1］。以光電轉換電路為核心的光電檢測技術已經被廣泛地應用到軍事、 工業、 農業、 環境科學、 醫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，再經過前置放大、 主放大等后續電路進一步優化有用信號，最后實現與上位機與相應算法的連接。 由此可見，任何光電檢測系統中，光電轉換電路的設計與優化都是重中之重，它性能的穩定以及相關參數的合理性將決定著整個檢測系統的設計成敗.

　　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。

　　運算放大器（Operational Amplifier，簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合﹐差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。在實際電路中，通常結合反饋網絡和不同的反饋方式，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節。可見運放在電子電路中的應用之廣。

　　電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。

　　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。

　　光電二極管的選擇依據：

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

　　（ 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，因為前置放大與后續處理電路相連時會受到輸入電壓匹配的限制， 同時過大的反饋電阻會使電路產生自激震蕩;

　　（ 2）設計合理的通頻帶; 通過電容 Cs 與反饋電阻Rf 的并聯， 構成低通濾波電路，其上限截止頻率為1/ 2%:Cs:Rf 。上限截止頻率越小，信號輸出信噪比越好;但較小的上限截止頻率會使信號產生頻率失真，具體使用時要根據實際情況調試而定;

　　（ 3）光電轉換產生的光電流越大，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，同時提高光信號的照射功率以增大光電流;

　　（ 4）選用內阻較大，結電容較小的光電二極管，同時保證工作溫度恒定， 減小因環境溫度升高而帶來的額外的輸入噪聲。

　　2   主放大電路的設計

　　由于前置放大只是將微弱的光電流轉換為電壓信號，在進行實際處理時還要進一步放大，因此設計第二級主放大電路， 通過阻容耦合與前置放大電路相連.

　　由仿真結果可以看出光電二極管產生的微安級的弱光電流經前置放大電路可輸出毫伏級的電壓，所以仍需通過主放大電路進行后續處理。 主放大電路如圖 4 所示; R 1~ R 5 電阻可實現電壓放大倍數的多檔可調，即所謂的靈敏度調節。

　　3 電路的優化設計

　　在實際光電測試系統中， 還應對光電轉換電路進行諸如降噪、 濾波、 去耦等優化處理， 以實現較大的信噪比、 信號穩定性以及高靈敏度等特點。具體的優化措施有以下幾點：

　　（ 1）由于運算放大器是雙電源器件，通過合理的選擇偏置電阻使光電轉換前置放大電路的輸出電壓達到合適的幅值（即設置適當的靜態工作點） ， 以獲得最大的電壓擺幅， 避免飽和失真。 如圖 6 電路所示，電壓輸出設置于- 4 V 左右， 避免因強烈的環境光造成的飽和失真。

　　該放大電路經過仿真以后從波形中可以觀察到輸出電壓被拉低到- 4 V 左右， 實現了合理設置靜態工作點的目的;

　　（ 2）正負電壓由運算放大器的4、 7 管腳引入， 同時設置旁路電容構成濾波電路， 消除電源紋波的干擾，降低輸入噪聲，提高信號信噪比;

　　（ 3）考慮到不同光電檢測系統的使用環境，對于那些有強環境光干擾的測試場所，可以在電路設計之初就運用雙光電二極管， 使其中一個暴露于測試環境中并與前置放大器反接， 達到消除雜散環境光干擾的作用;

　　（ 4）在電路的制板過程中還會因為器件排列、 布線、 線寬以及制作工藝等諸多因素引入噪聲， 對測試結果產生一定的影響; 針對這些因素對 PCB 板的設計提出以下幾點建議：

　　a.要求 PCB 出圖時光電轉換器件與前置運放間的信號線盡可能短;

　　b. V CC、 GND 等特殊網絡的線寬要超過其他網絡的線寬，推薦50 mi l 左右;

　　c.如果電路比較復雜，還應設計專門的電源層與接地層;

　　d.布線時兩條走線之間應保持一定間距，避免產生電容效應，且走線以水平方向與豎直方向為最佳;

　　e.敷銅設計時最好將電源與運放隔開， 不要整板敷銅，避免噪聲干擾;

　　（ 5） 在電路板的使用過程中要采取一定的屏蔽措施，如添加金屬外殼（避免空氣中高頻電磁波的干擾） ，或接地（消除噪聲）等;

　　基于以上設計原則，設計光電轉換放大電路并制板，以玩具氣槍模擬真實彈丸驗證該測試系統，搭建400 mm & 10 m 的有效靶面， 分別從有效靶區范圍內 0、 5、 10 m 處在 400 mm 光幕的上、 中、 下 3 個不同光強區域驗證彈丸過靶信號; 噪聲穩定保持在100 mV 左右，而最弱區域有用信號達到2 V 上下，性能較為穩定，信噪比好，能夠滿足測試需求。

　　4 結束語

　　文中對光電轉換電路設計中可能遇到影響其性能參數的諸多因素作出了詳盡的分析與討論，通過合理的選擇調試器件參數，可以使檢測系統的性能趨于最佳，對于較為微弱的光信號也有探測能力。在實際應用當中，還應根據具體問題具體分析，才能設計出滿足不同需求的光電轉換電路測試系統。(作者：宋濤；張斌，羅倩倩)

　　參考文獻

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　　［ 3］ 劉衛東， 劉延冰，劉建國。 檢測為弱光信號的 PIN 光電檢測電路設計［ J］ 。電測與儀表， 1994（ 4） ： 28- 30.

　　［ 4］ 張若嵐。電路系統中噪聲問題研究［ J］ 。電子技術， 2001（ 2） ： 62- 65.