【導(dǎo)讀】本文對(duì)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(duì)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)。
本文通過對(duì)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(hào)從噪聲中分離并輸出的目的。
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?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。
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(hào)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(hào)”。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(hào)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(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（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)。可見運(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。
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(nèi)阻；Cd 為二級(jí)管結(jié)電容； I ns 為二級(jí)管的散粒噪聲電流；I nd為二極管內(nèi)阻的熱噪聲電流。
