摘 要： 通過對光電轉(zhuǎn)換電路的前置放大及主放大電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)分析研究， 給出了電路放大、濾波、降噪等優(yōu)化處理方法， 實(shí)現(xiàn)了將有用信號從噪聲中分離并輸出的目的。 對光電轉(zhuǎn)換電路從原理設(shè)計(jì)到最終制板過程中影響其性能參數(shù)及穩(wěn)定性的因素進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

　　光電技術(shù)是將傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種高新技術(shù)［ 1］。以光電轉(zhuǎn)換電路為核心的光電檢測技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到軍事、 工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 環(huán)境科學(xué)、 醫(yī)療和航天等諸多領(lǐng)域。所謂的光電轉(zhuǎn)換是以光電二極管為基礎(chǔ)器件，通過將照射于二極管上光通量的改變量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光電流，再經(jīng)過前置放大、 主放大等后續(xù)電路進(jìn)一步優(yōu)化有用信號，最后實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)與相應(yīng)算法的連接。 由此可見，任何光電檢測系統(tǒng)中，光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化都是重中之重，它性能的穩(wěn)定以及相關(guān)參數(shù)的合理性將決定著整個(gè)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成敗.

　　1 光電轉(zhuǎn)換- 前置放大電路的設(shè)計(jì)

　　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(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號的呢？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(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，這就可以把光信號轉(zhuǎn)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(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)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(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)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(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光照條件下也會產(chǎn)生一個(gè)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(yùn)算放大器（Operational Amplifier，簡稱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)?？梢娺\(yùn)放在電子電路中的應(yīng)用之廣。

　　電阻，物質(zhì)對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，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)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(yùn)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(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I sc為光電流; Rd 為二極管內(nèi)阻; Cd 為二級管結(jié)電容; I ns 為二級管的散粒噪聲電流; I nd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)會受到輸入電壓匹配的限制， 同時(shí)過大的反饋電阻會使電路產(chǎn)生自激震蕩;

　?。?2）設(shè)計(jì)合理的通頻帶; 通過電容 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，信號輸出信噪比越好;但較小的上限截止頻率會使信號產(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，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)第二級主放大電路， 通過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)生的微安級的弱光電流經(jīng)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(jìn)行后續(xù)處理。 主放大電路如圖 4 所示; R 1~ R 5 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)。

　　3 電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際光電測試系統(tǒng)中， 還應(yīng)對光電轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行諸如降噪、 濾波、 去耦等優(yōu)化處理， 以實(shí)現(xiàn)較大的信噪比、 信號穩(wěn)定性以及高靈敏度等特點(diǎn)。具體的優(yōu)化措施有以下幾點(diǎn)：

　?。?1）由于運(yùn)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(zhuǎn)換前置放大電路的輸出電壓達(dá)到合適的幅值（即設(shè)置適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)） ， 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(shè)置于- 4 V 左右， 避免因強(qiáng)烈的環(huán)境光造成的飽和失真。

　　該放大電路經(jīng)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(shí)現(xiàn)了合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的目的;

　?。?2）正負(fù)電壓由運(yùn)算放大器的4、 7 管腳引入， 同時(shí)設(shè)置旁路電容構(gòu)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(tǒng)的使用環(huán)境，對于那些有強(qiáng)環(huán)境光干擾的測試場所，可以在電路設(shè)計(jì)之初就運(yùn)用雙光電二極管， 使其中一個(gè)暴露于測試環(huán)境中并與前置放大器反接， 達(dá)到消除雜散環(huán)境光干擾的作用;

　　（ 4）在電路的制板過程中還會因?yàn)槠骷帕小?布線、 線寬以及制作工藝等諸多因素引入噪聲， 對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響; 針對這些因素對 PCB 板的設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議：

　　a.要求 PCB 出圖時(shí)光電轉(zhuǎn)換器件與前置運(yùn)放間的信號線盡可能短;

　　b. V CC、 GND 等特殊網(wǎng)絡(luò)的線寬要超過其他網(wǎng)絡(luò)的線寬，推薦50 mi l 左右;

　　c.如果電路比較復(fù)雜，還應(yīng)設(shè)計(jì)專門的電源層與接地層;

　　d.布線時(shí)兩條走線之間應(yīng)保持一定間距，避免產(chǎn)生電容效應(yīng)，且走線以水平方向與豎直方向?yàn)樽罴?

　　e.敷銅設(shè)計(jì)時(shí)最好將電源與運(yùn)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(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)光電轉(zhuǎn)換放大電路并制板，以玩具氣槍模擬真實(shí)彈丸驗(yàn)證該測試系統(tǒng)，搭建400 mm & 10 m 的有效靶面， 分別從有效靶區(qū)范圍內(nèi) 0、 5、 10 m 處在 400 mm 光幕的上、 中、 下 3 個(gè)不同光強(qiáng)區(qū)域驗(yàn)證彈丸過靶信號; 噪聲穩(wěn)定保持在100 mV 左右，而最弱區(qū)域有用信號達(dá)到2 V 上下，性能較為穩(wěn)定，信噪比好，能夠滿足測試需求。

　　4 結(jié)束語

　　文中對光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中可能遇到影響其性能參數(shù)的諸多因素作出了詳盡的分析與討論，通過合理的選擇調(diào)試器件參數(shù)，可以使檢測系統(tǒng)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，還應(yīng)根據(jù)具體問題具體分析，才能設(shè)計(jì)出滿足不同需求的光電轉(zhuǎn)換電路測試系統(tǒng)。(作者：宋濤；張斌，羅倩倩)

　　參考文獻(xiàn)

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