光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案匯總（三款模擬電路設(shè)計原理圖詳解）

光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案（一）

1、光電轉(zhuǎn)換-前置放大電路的設(shè)計

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娞匦浴５陔娐分兴皇亲髡髟?，而是把?a target="_blank">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狀態(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。

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（OperationalAmplifier，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。

光電二極管的選擇依據(jù)：

圖2中Isc為光電流;Rd為二極管內(nèi)阻;Cd為二級管結(jié)電容;Ins為二級管的散粒噪聲電流;Ind為二極管內(nèi)阻的熱噪聲電流。光電二極管與后續(xù)的理想運放構(gòu)成前置放大電路時，影響其性能參數(shù)的因素主要是以下幾點：

（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，因為前置放大與后續(xù)處理電路相連時會受到輸入電壓匹配的限制，同時過大的反饋電阻會使電路產(chǎn)生自激震蕩;

（2）設(shè)計合理的通頻帶;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，具體使用時要根據(jù)實際情況調(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

由于前置放大只是將微弱的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，在進行實際處理時還要進一步放大，因此設(shè)計第二級主放大電路，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行后續(xù)處理。主放大電路如圖4所示;R1~R5電阻可實現(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)。