【導(dǎo)讀】本文對光電轉(zhuǎn)換電路從原理設(shè)計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)。
本文通過對光電轉(zhuǎn)換電路的前置放大及主放大電路設(shè)計的詳細(xì)分析研究,給出了電路放大、濾波、降噪等優(yōu)化處理方法,實現(xiàn)了將有用信號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
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(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)計和制作時盡量使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,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(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, 光電二極管可以非常精確地線性工作; 而在光導(dǎo)模式時, 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, 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。
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(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\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(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。