光电转换电路的设计与优化

第25卷第6期光电技术应用Vol. 25,No.62010年12月ELECTRO- OPTIC TECHNOLOGY APPLICATIONDecember. 2010●电路与控制.光电转换电路的设计与优化宋涛,张斌,罗倩倩(中北大学电子测试技术承点实验宅,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051)摘要:通过对光电转换电路的前置放大及主放大电路设计的详细分析研究,给出了电路放大.滤波、降噪等优化处理方法,实现将有用信号从噪声中分离并输出的日的.对光电转换电路从原理设计到最终制板过程中影响其性能参数及稳定性的因素进行了深入的探讨.提出S对电路器件选择.排列.布线以及降噪等)i法的选择标准和依据.关键词:光电转换;前置放大;光电二极管中图分类号:TN710文献标识码: A文章编号:1673 - 1255(2010)06- 0046-03Photoelectric Conversion Circuit Design and OptimizationSONG Tao, ZHANG Bin, LUO Qian-qian(National Key Laboratory of Electromic Measurement Technology( North Universily of China),Minstry of Fducaton Key Laboratory of Instrumentation Science and Dymamic Mesrement , Taiyuan 030051, China)Abstract: By studying and analyzing the preamplifier and main amplification circuits design in photoelectricconversion circuitry, the optimum handling way for circuit amplifying, filtering , noise reduction processing wasgiven, the purpose of the useful signal separating and outputting from the noise was achieved. The various factorsaffecting the stability of performance parameters from the principle of photolctric conversion circuit design tothe final plate process were discussed. The criteria and the basis were put forward for the circuit device selec-tions, arrangement , wiring, and noise reduction methods and so on.Key words: photoelectric conversion;preamplifier;photodiode光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术[1]以光电转换1光电转换-前置放大电路的设计电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事.工业农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域.所光电二极管在受到光照时,会产生一个与照度谓的光电转换是以光电二极管为基础器件,通过将照成正比的小电流.因此是很好的光-电传感器.光电射于二极管上.光通量的改变最转化为相应的光电流，二极管可以在2种模式下工作,-是零偏置的光伏再经过前置放大、主放大等后续电路进-一步优化有用模式;一是反偏置的光导模式3],具体电路如图1所信号,最后实现与上位机与相应算法的连接.由此可示.在光伏模式时，光电二极管可以非常精确地线性见,任何光电检测系统中,光电转换电路的设计与优工作;而在光导模式时,光电二极管能够实现较高化都是重中之重,它性能的稳定以及相关参数的合理的切换速度,但要柄牲线性;同时，反偏置模式下的性将决定着整个检测系统的设计成败.光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗[ |中国煤化工噪声因此选用光收稿日期:2010-11-19MYHCNMHG基金项目:山西省科技基础条件甲台建设项目资助(2010091013)作者简介:宋涛(1985 - ),男.硕士研究生.主要研究方向为光电探测理论与技术.第6期宋涛等:光电转换电路的设计与优化47伏模式,失真,具体使用时要根据实际情况调试而定;理想的光电二极管有恒流源的特性,当其负载(3)光电转换产生的光电流越大.前覺放大得到电阻为零时输出特性较好,而由理想放大器构成的的输出电压越大,因此要尽叮能选用灵敏度高的二前置放大电路又有“朧短、虚断”的概念，其输入限抗极管,同时提高光信号的照射功率以增大光电流;Rm= R/<(1+ A),式中,A为运算放大器的开环增(4)选用内阻较大,结电容较小的光电二极管，益,Rj为反馈电阻.一般而言,A≥10°,所以Rm≈同时保证L.作温度恒定.减小因环境温度升高而带0;即保证了光电二极管在光伏模式下的线性工作特来的额外的输人噪声.性.通过反馈电阻将光电二极管与运算放大器相连接,将其产生的微锅电流通过较大的反馈电阻Rj2主 放大电路的设计形成用降,从而实现光通鼠的改变一光电流一-电压的I/V前置放大转换.由于前置放大只是将微弱的光电流转换为电压rCC信号,在进行实际处理时还要进- - 步放大,因此设计CC|第二级主放大电路.通过阻容耦合与前置放大电路R相连.VDD vccPhoto Sen5cL, 9IrF-12V T-12VRI 20k9rDDGND GNDGND -BLASrCc6品257AI.vCc-vCc洲二下一三(a)光伏模式(b) 光导模式圈1光电二极管的工作模式圈3前置放大仿真电路及仿真波形光电二极管的选择依据:由仿真结果以看出光电二极管产生的微安级的弱光电流经前置放大电路叮输出毫伏级的电压，Cd所以仍需通过主放大电路进行后续处理.主放大电路如图4所示;R1~ R5电阻可实现电压放大倍数Is/und的多档可调,即所谓的灵敏度调节.GND_R圈2光电二极管等效电路图2中Isc为光电流;Rd为二极管内阻;Cd为二级管结电容;Ins为二级管的散粒噪声电流;Ind为二极管内阻的热噪声电流.光电二极管与后续的理想运放构成前置放大电路时.影晌其性能参数的因素主要是以下几点:(1)反馈电阻R;反馈电阻越大.输出电压越图4主放大电路大,通常取几百千伏或儿+兆伏,但反馈电阻的选择也仔在上:限,因为前咒放大与后续处理电路相连时3电路的优化设计会受到输入电压匹配的限制,同时过大的反馈电阻会使电路产生自激震荡;在实际光电测试系统中，还应对光电转换电路(2)设计合理的通频带;通过电容C,与反馈电进行中国煤化工处理.以实现较大阳R,的并联,构成低通滤波电路,其上:限截止频率的信0HCNMHG发等特点具体的为1/211.C* R,.上限截止频啾越小,俏号输出信噪优化有胞1以儿点:比越好;但较小的上限截止频率会使信号产生频率(1)由于运算放大器是双电源器件,通过合理的48光电技术应用第25卷选择偏置电阻使光电转换前置放大电路的输出电压b.VCC.GND等特殊网络的线宽要超过其他达到合适的幅值(即设置适当的静态工作点),以获网络的线宽,推荐50 mil左右;得最大的电压摆幅,避免饱和失真.如图6电路所c.如果电路比较复杂,还应设计专门的电源层示,电压输出设置于-4 V左右,避免因强烈的环境与接地层;光造成的饱和失真.d.布线时两条走线之间应保持- -定间距避免产VCC生电容效应,且走线以水平方向与竖直方向为最佳;e.敷铜设计时最好将电源与运放隔开,不要整板敷铜,避免噪声干扰;(5)在电路板的使用过程中要采取--定的屏蔽U ~「8措施,如添加金属外壳(避免空气中高频电磁波的干pHoto Sen2.扰),或接地(消除噪声)等;-vCC基于以上设计原则,设计光电转换放大电路并制板,以玩具气枪模拟真实弹丸验证该测试系统,搭團5偏置前置放大电路建400mmX10m的有效靶面,分别从有效靶区范该放大电路经过仿真以后从波形中可以观察到围内0、5.10 m处在400 mm光幕的上、中、下3个输出电压被拉低到-4 V左右,实现了合理设置静不同光强区域验证弹丸过靶信号;噪声稳定保持在态工作点的目的;100 mV左右,而最弱区域有用信号达到2V上下，Oeilloscope-XScI性能较为稳定,信噪比好,能够满足测试需求.表1气枪测试数据分组中下直流电平第1组(0m) 2.03 3.83 2.563.72第2组(5m) 4.24 4.76 3.65第3组(10m) 3.74 5.63 3.35π出Tone ChaelA ChuaneBeriene450.003m -1.987V4结束语文中对光电转换电路设计中可能遇到影响其性圈6偏置前置放大电路仿真结果能参数的诸多因素作出了详尽的分析与讨论,通过(2)正负电压由运算放大器的4.7管脚引人,同合理的选择调试器件参数,可以使检测系统的性能时设置旁路电容构成滤波电路，消除电源纹波的干趋于最佳,对于较为微弱的光信号也有探测能力.在扰,降低输入噪声,提高信号信噪比;实际应用当中，还应根据具体问题具体分析,才能设(3)考虑到不同光电检测系统的使用环境,对于计出满足不同需求的光电转换电路测试系统.那些有强环境光干扰的测试场所,可以在电路设计参考文献之初就运用双光电二极管,使其中一个暴露于测试环境中并与前置放大器反接，达到消除杂散环境光[1] 刘斌,张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003.27(3):194- 196.干扰的作用;(4)在电路的制板过程中还会因为器件排列、布[2] 李威,罗春华。杨臻.基于光电信号转换原理与单片机的弹.丸测速系统[].机械管理开发.2008,23(6):29-线线宽以及制作T艺等诸多因素引人噪声,对测试中国煤化工结果产生- -定的影响;针对这些因素对PCB板的设[3]马光信号的PIN光电计提出以下几点建议:CCHCNMHSa();28- 30.a.要求PCB出图时光电转换器件与前置运放[4] 张若岚 电路系统中噪声问题研究[].电子技术,2001间的信号线尽可能短;.(2): 62 - 65.