中心議題：

• 光電轉換電路的設計
• 光電轉換電路的優化設計

解決方案：

• 前置放大電路的設計
• 主放大電路的設計
• 光電轉換電路的優化措施

本文通過對光電轉換電路的前置放大及主放大電路設計的詳細分析研究
， 給出了電路放大、濾波、降噪等優化處理方法， 實現了將有用信號從噪聲中分離並輸出的目的。 對光電轉換電路從原理設計到最終製板過程中影響其性能參數及穩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準和依據。

1 光電轉換- 前置放大電路的設計

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jie組zu成cheng的de半ban導dao體ti器qi件jian，也ye具ju有you單dan方fang向xiang導dao電dian特te性xing。但dan在zai電dian路lu中zhong它ta不bu是shi作zuo整zheng流liu元yuan件jian，而er是shi把ba光guang信xin號hao轉zhuan換huan成cheng電dian信xin號hao的de光guang電dian傳chuan感gan器qi件jian。光guang電dian二er級ji管guan是shi怎zen樣yang把ba光guang信xin號hao轉zhuan換huan成cheng電dian信xin號hao的de呢ne？普pu通tong二er極ji管guan在zai反fan向xiang電dian壓ya作zuo用yong時shi處chu於yu截jie止zhi狀zhuang態tai
，隻zhi能neng流liu過guo微wei弱ruo的de反fan向xiang電dian流liu，光guang電dian二er極ji管guan在zai設she計ji和he製zhi作zuo時shi盡jin量liang使shiPN結的麵積相對較大

，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；youguangzhaoshi，fanxiangdianliuxunsuzengdadaojishiweian
，chengweiguangdianliu。guangdeqiangduyueda，fanxiangdianliuyeyueda。guangdebianhuayinqiguangdianerjiguandianliubianhua，zhejiukeyibaguangxinhaozhuanhuanchengdianxinhao，chengweiguangdianchuanganqijian。

凡是利用一定的物性（物理
、化學
、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉變成便於利用的電信號的器件。傳感器是測量係統中的一種前置部件

，它將輸入變量轉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“傳感器係統則是組合有某種信息處理（模擬或數字）能力的係統”。傳感器是傳感係統的一個組成部分
，它是被測量信號輸入的第一道關口。

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； 而在光導模式時
， 光電二極管能夠實現較高的切換速度
， 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、tongchangweidanduanshuchudegaozengyidianyafangdaqi。zaishijidianluzhong，tongchangjiehefankuiwangluohebutongdefankuifangshi，gongtongzuchengmouxiegongnenghetexingbutongdemokuai，zhexiemokuaishigezhongdianzidianluzhongzuijibendehuanjie。kejianyunfangzaidianzidianluzhongdeyingyongzhiguang。

電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體
，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， 將其產生的微弱電流通過較大的反饋電阻Rf形成壓降， 從而實現光通量的改變—— 光電流——電壓的I/ V 前置放大轉換。

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光電二極管的選擇依據：

圖2 中I sc為光電流; Rd 為二極管內阻; Cd 為二級管結電容; I ns 為二級管的散粒噪聲電流; I nd為二極管內阻的熱噪聲電流。 光電二極管與後續的理想運放構成前置放大電路時， 影響其性能參數的因素主要是以下幾點：
（1）反饋電阻 Rf ; 反饋電阻越大
， 輸shu出chu電dian壓ya越yue大da
，通tong常chang取qu幾ji百bai千qian伏fu或huo幾ji十shi兆zhao伏fu
，但dan反fan饋kui電dian阻zu的de選xuan擇ze也ye存cun在zai上shang限xian，因yin為wei前qian置zhi放fang大da與yu後hou續xu處chu理li電dian路lu相xiang連lian時shi會hui受shou到dao輸shu入ru電dian壓ya匹pi配pei的de限xian製zhi， 同時過大的反饋電阻會使電路產生自激震蕩;
（2）設計合理的通頻帶; 通過電容 Cs 與反饋電阻Rf 的並聯， 構成低通濾波電路，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生頻率失真

，具體使用時要根據實際情況調試而定;
（3）光電轉換產生的光電流越大
，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）選用內阻較大，結電容較小的光電二極管
，同時保證工作溫度恒定， 減小因環境溫度升高而帶來的額外的輸入噪聲。

2   主放大電路的設計

由於前置放大隻是將微弱的光電流轉換為電壓信號，在進行實際處理時還要進一步放大，因此設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you仿fang真zhen結jie果guo可ke以yi看kan出chu光guang電dian二er極ji管guan產chan生sheng的de微wei安an級ji的de弱ruo光guang電dian流liu經jing前qian置zhi放fang大da電dian路lu可ke輸shu出chu毫hao伏fu級ji的de電dian壓ya，所suo以yi仍reng需xu通tong過guo主zhu放fang大da電dian路lu進jin行xing後hou續xu處chu理li。 主放大電路如圖 4 所示; R 1~ R 5 電阻可實現電壓放大倍數的多檔可調
，即所謂的靈敏度調節。

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3 電路的優化設計

在實際光電測試係統中， 還應對光電轉換電路進行諸如降噪

、 濾波
、 去耦等優化處理， 以實現較大的信噪比、 信號穩定性以及高靈敏度等特點。具體的優化措施有以下幾點：
（1）由於運算放大器是雙電源器件，通過合理的選擇偏置電阻使光電轉換前置放大電路的輸出電壓達到合適的幅值（即設置適當的靜態工作點）
， 以獲得最大的電壓擺幅， 避免飽和失真。 如圖 6 電路所示

，電壓輸出設置於- 4 V 左右， 避免因強烈的環境光造成的飽和失真。

該放大電路經過仿真以後從波形中可以觀察到輸出電壓被拉低到- 4 V 左右， 實現了合理設置靜態工作點的目的;

（2）正負電壓由運算放大器的4、 7 管腳引入
， 同時設置旁路電容構成濾波電路， 消除電源紋波的幹擾，降低