由運(yùn)放構(gòu)成的光信號IV轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由運(yùn)放構(gòu)成的光信號IV轉(zhuǎn)換電路

一、光信號傳感器

光電池是一種將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的器件，在光照下會產(chǎn)生電動勢; 光電二極管也是將光的能量轉(zhuǎn)化為電能，兩者主要區(qū)別有：制作工藝不同、響應(yīng)速度不同、靈敏度不同、工作方式不同，其中光電池可以工作在零偏狀態(tài)下，光電二極管工作在反偏狀態(tài)下。

光電二極管又分為:PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)。

光信號傳感器應(yīng)用廣泛，包括：通信、交通、航天、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。

二、原理及分析

原理圖如下圖所示：

2.1 器件功能介紹

D1表示光信號傳感器，不同的傳感器對照入的光敏感性不同，可以根據(jù)器件的光譜響應(yīng)曲線中查到對不同波長的敏感度。 在相同波長下，光強(qiáng)越強(qiáng)，進(jìn)入電路中的電流越大。

R2是IV變換比的電阻，假設(shè)R2=1KΩ，表示有1mA的電流輸入，則在運(yùn)放輸出端會得到1V的信號，則IV變換比為：1000：1。

C1的引入作為是改變電路頻率特性，降低高頻噪聲。 一般光信號傳感器都會有結(jié)電容的存在，當(dāng)信號頻率過高時，結(jié)電容和反饋電阻會有發(fā)生振蕩的可能，所以C1在這里也會起到相位補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

運(yùn)放是此電路的主要器件，根據(jù)虛短、虛斷特性，當(dāng)D1中的電流發(fā)生變化時，PIN2的電勢不受影響，相當(dāng)于接到虛地，這樣D1的電流全部流過R2，可以可靠的將電流轉(zhuǎn)化為電壓。

2.2 頻率因素

此電路的頻率響應(yīng)是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，所以重點(diǎn)提出幾點(diǎn)注意事項(xiàng)。

1) 運(yùn)放帶寬的影響

對小信號來說，運(yùn)放的帶寬是決定處理信號頻率范圍最主要的參數(shù)，帶寬越寬，高頻特性越好，能處理信號的頻率越高。

2) 運(yùn)放壓擺率的影響

壓擺率也稱為轉(zhuǎn)換速率，是運(yùn)放在閉環(huán)情況下，一個大信號從運(yùn)放輸入端輸入，從運(yùn)放輸出端測得信號的上升速率，體現(xiàn)的是運(yùn)放對信號變化速度的反映能力，在大信號輸入時，要關(guān)注這一參數(shù)，便于評估對速度的要求。

3) 光信號傳感器結(jié)電容的影響

一般情況，感光面積越大，結(jié)電容也會越大; 為減小結(jié)電容多數(shù)情況都需要加一個反向偏壓，結(jié)電容與反向偏壓是反比的曲線關(guān)系。 在較高速率要求的光信號傳感器，光敏面積很小。 例如，APD的制作工藝感光面積極小，再加上較大的偏壓，信號頻率可以高達(dá)1G，常應(yīng)用于光通信行業(yè)。

4) 電容C1的取值影響

在上一章已有對C1的介紹，取值上除了要考慮抵消光傳感器結(jié)電容的相位補(bǔ)償，還要綜合R2的值，計(jì)算頻率帶寬。 實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)噪聲情況，可以把此處的帶寬適當(dāng)?shù)姆艑捯恍?而在后端的處理電路中，根據(jù)信號情況，再把帶寬收緊。

2.3 頻率變化波形圖示

如果IV變換比為1000，由于上述4條因素的作用，并不是對所有的頻率信號IV變換比都是1000，當(dāng)信號頻率增大到一定程度時，IV變換比會下降。 以高斯波形驅(qū)動發(fā)光管，照射光電二極管為例，經(jīng)同一種電路IV變換后，幾種不同頻率下的輸出波形如下：