光電轉(zhuǎn)換-前置放大電路的設(shè)計(jì)

光電技術(shù)是將傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種高新技術(shù)。以光電轉(zhuǎn)換電路為核心的光電檢測(cè)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(guò)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(guò)前置放大、主放大等后續(xù)電路進(jìn)一步優(yōu)化有用信號(hào)，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(cè)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成敗。

光電轉(zhuǎn)換-前置放大電路的設(shè)計(jì)

光電二極管在受到光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與照度成正比的小電流，因此是很好的光-電傳感器。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(wú)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。

理想的光電二極管有恒流源的特性，當(dāng)其負(fù)載電阻為零時(shí)輸出特性較好，而由理想放大器構(gòu)成的前置放大電路又有虛短、虛斷!的概念，其輸入阻抗Rin=Rf/(1+A)，式中，A為運(yùn)算放大器的開環(huán)增益，Rf為反饋電阻。一般而言，A>=106，所以Rin≈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(guò)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(guò)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Isc為光電流;Rd為二極管內(nèi)阻;Cd為二級(jí)管結(jié)電容;Ins為二級(jí)管的散粒噪聲電流;Ind為二極管內(nèi)阻的熱噪聲電流。

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