光電轉換電路的設計與優(yōu)化

第25卷第6期光電技術(shù)應用Vol. 25,No.62010年12月ELECTRO- OPTIC TECHNOLOGY APPLICATIONDecember. 2010●電路與控制.光電轉換電路的設計與優(yōu)化宋濤,張斌,羅倩倩(中北大學(xué)電子測試技術(shù)承點(diǎn)實(shí)驗宅,儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,山西太原030051)摘要:通過(guò)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(yōu)化處理方法,實(shí)現將有用信號從噪聲中分離并輸出的日的.對光電轉換電路從原理設計到最終制板過(guò)程中影響其性能參數及穩定性的因素進(jìn)行了深入的探討.提出S對電路器件選擇.排列.布線(xiàn)以及降噪等)i法的選擇標準和依據.關(guān)鍵詞:光電轉換;前置放大;光電二極管中圖分類(lèi)號:TN710文獻標識碼: A文章編號: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光電技術(shù)是將傳統的光學(xué)技術(shù)與現代電子技術(shù)與計算機技術(shù)相結合的一種高新技術(shù)[1]以光電轉換1光電轉換-前置放大電路的設計電路為核心的光電檢測技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應用到軍事.工業(yè)農業(yè)、環(huán)境科學(xué)、醫療和航天等諸多領(lǐng)域.所光電二極管在受到光照時(shí),會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與照度謂的光電轉換是以光電二極管為基礎器件,通過(guò)將照成正比的小電流.因此是很好的光-電傳感器.光電射于二極管上.光通量的改變最轉化為相應的光電流，二極管可以在2種模式下工作,-是零偏置的光伏再經(jīng)過(guò)前置放大、主放大等后續電路進(jìn)-一步優(yōu)化有用模式;一是反偏置的光導模式3],具體電路如圖1所信號,最后實(shí)現與上位機與相應算法的連接.由此可示.在光伏模式時(shí)，光電二極管可以非常精確地線(xiàn)性見(jiàn),任何光電檢測系統中,光電轉換電路的設計與優(yōu)工作;而在光導模式時(shí),光電二極管能夠實(shí)現較高化都是重中之重,它性能的穩定以及相關(guān)參數的合理的切換速度,但要柄牲線(xiàn)性;同時(shí)，反偏置模式下的性將決定著(zhù)整個(gè)檢測系統的設計成敗.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[ |中國煤化工噪聲因此選用光收稿日期:2010-11-19MYHCNMHG基金項目:山西省科技基礎條件甲臺建設項目資助(2010091013)作者簡(jiǎn)介:宋濤(1985 - ),男.碩士研究生.主要研究方向為光電探測理論與技術(shù).第6期宋濤等:光電轉換電路的設計與優(yōu)化47伏模式,失真,具體使用時(shí)要根據實(shí)際情況調試而定;理想的光電二極管有恒流源的特性,當其負載(3)光電轉換產(chǎn)生的光電流越大.前覺(jué)放大得到電阻為零時(shí)輸出特性較好,而由理想放大器構成的的輸出電壓越大,因此要盡叮能選用靈敏度高的二前置放大電路又有“朧短、虛斷”的概念，其輸入限抗極管,同時(shí)提高光信號的照射功率以增大光電流;Rm= R/<(1+ A),式中,A為運算放大器的開(kāi)環(huán)增(4)選用內阻較大,結電容較小的光電二極管，益,Rj為反饋電阻.一般而言,A≥10°,所以Rm≈同時(shí)保證L.作溫度恒定.減小因環(huán)境溫度升高而帶0;即保證了光電二極管在光伏模式下的線(xiàn)性工作特來(lái)的額外的輸人噪聲.性.通過(guò)反饋電阻將光電二極管與運算放大器相連接,將其產(chǎn)生的微鍋電流通過(guò)較大的反饋電阻Rj2主 放大電路的設計形成用降,從而實(shí)現光通鼠的改變一光電流一-電壓的I/V前置放大轉換.由于前置放大只是將微弱的光電流轉換為電壓rCC信號,在進(jìn)行實(shí)際處理時(shí)還要進(jìn)- - 步放大,因此設計CC|第二級主放大電路.通過(guò)阻容耦合與前置放大電路R相連.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) 光導模式圈1光電二極管的工作模式圈3前置放大仿真電路及仿真波形光電二極管的選擇依據:由仿真結果以看出光電二極管產(chǎn)生的微安級的弱光電流經(jīng)前置放大電路叮輸出毫伏級的電壓，Cd所以仍需通過(guò)主放大電路進(jìn)行后續處理.主放大電路如圖4所示;R1~ R5電阻可實(shí)現電壓放大倍數Is/und的多檔可調,即所謂的靈敏度調節.GND_R圈2光電二極管等效電路圖2中Isc為光電流;Rd為二極管內阻;Cd為二級管結電容;Ins為二級管的散粒噪聲電流;Ind為二極管內阻的熱噪聲電流.光電二極管與后續的理想運放構成前置放大電路時(shí).影晌其性能參數的因素主要是以下幾點(diǎn):(1)反饋電阻R;反饋電阻越大.輸出電壓越圖4主放大電路大,通常取幾百千伏或兒+兆伏,但反饋電阻的選擇也仔在上:限,因為前咒放大與后續處理電路相連時(shí)3電路的優(yōu)化設計會(huì )受到輸入電壓匹配的限制,同時(shí)過(guò)大的反饋電阻會(huì )使電路產(chǎn)生自激震蕩;在實(shí)際光電測試系統中，還應對光電轉換電路(2)設計合理的通頻帶;通過(guò)電容C,與反饋電進(jìn)行中國煤化工處理.以實(shí)現較大陽(yáng)R,的并聯(lián),構成低通濾波電路,其上:限截止頻率的信0HCNMHG發(fā)等特點(diǎn)具體的為1/211.C* R,.上限截止頻啾越小,俏號輸出信噪優(yōu)化有胞1以?xún)狐c(diǎn):比越好;但較小的上限截止頻率會(huì )使信號產(chǎn)生頻率(1)由于運算放大器是雙電源器件,通過(guò)合理的48光電技術(shù)應用第25卷選擇偏置電阻使光電轉換前置放大電路的輸出電壓b.VCC.GND等特殊網(wǎng)絡(luò )的線(xiàn)寬要超過(guò)其他達到合適的幅值(即設置適當的靜態(tài)工作點(diǎn)),以獲網(wǎng)絡(luò )的線(xiàn)寬,推薦50 mil左右;得最大的電壓擺幅,避免飽和失真.如圖6電路所c.如果電路比較復雜,還應設計專(zhuān)門(mén)的電源層示,電壓輸出設置于-4 V左右,避免因強烈的環(huán)境與接地層;光造成的飽和失真.d.布線(xiàn)時(shí)兩條走線(xiàn)之間應保持- -定間距避免產(chǎn)VCC生電容效應,且走線(xiàn)以水平方向與豎直方向為最佳;e.敷銅設計時(shí)最好將電源與運放隔開(kāi),不要整板敷銅,避免噪聲干擾;(5)在電路板的使用過(guò)程中要采取--定的屏蔽U ~「8措施,如添加金屬外殼(避免空氣中高頻電磁波的干pHoto Sen2.擾),或接地(消除噪聲)等;-vCC基于以上設計原則,設計光電轉換放大電路并制板,以玩具氣槍模擬真實(shí)彈丸驗證該測試系統,搭團5偏置前置放大電路建400mmX10m的有效靶面,分別從有效靶區范該放大電路經(jīng)過(guò)仿真以后從波形中可以觀(guān)察到圍內0、5.10 m處在400 mm光幕的上、中、下3個(gè)輸出電壓被拉低到-4 V左右,實(shí)現了合理設置靜不同光強區域驗證彈丸過(guò)靶信號;噪聲穩定保持在態(tài)工作點(diǎn)的目的;100 mV左右,而最弱區域有用信號達到2V上下，Oeilloscope-XScI性能較為穩定,信噪比好,能夠滿(mǎn)足測試需求.表1氣槍測試數據分組中下直流電平第1組(0m) 2.03 3.83 2.563.72第2組(5m) 4.24 4.76 3.65第3組(10m) 3.74 5.63 3.35π出Tone ChaelA ChuaneBeriene450.003m -1.987V4結束語(yǔ)文中對光電轉換電路設計中可能遇到影響其性圈6偏置前置放大電路仿真結果能參數的諸多因素作出了詳盡的分析與討論,通過(guò)(2)正負電壓由運算放大器的4.7管腳引人,同合理的選擇調試器件參數,可以使檢測系統的性能時(shí)設置旁路電容構成濾波電路，消除電源紋波的干趨于最佳,對于較為微弱的光信號也有探測能力.在擾,降低輸入噪聲,提高信號信噪比;實(shí)際應用當中，還應根據具體問(wèn)題具體分析,才能設(3)考慮到不同光電檢測系統的使用環(huán)境,對于計出滿(mǎn)足不同需求的光電轉換電路測試系統.那些有強環(huán)境光干擾的測試場(chǎng)所,可以在電路設計參考文獻之初就運用雙光電二極管,使其中一個(gè)暴露于測試環(huán)境中并與前置放大器反接，達到消除雜散環(huán)境光[1] 劉斌,張秋蟬.光電檢測前置放大電路的設計[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2003.27(3):194- 196.干擾的作用;(4)在電路的制板過(guò)程中還會(huì )因為器件排列、布[2] 李威,羅春華。楊臻.基于光電信號轉換原理與單片機的彈.丸測速系統[].機械管理開(kāi)發(fā).2008,23(6):29-線(xiàn)線(xiàn)寬以及制作T藝等諸多因素引人噪聲,對測試中國煤化工結果產(chǎn)生- -定的影響;針對這些因素對PCB板的設[3]馬光信號的PIN光電計提出以下幾點(diǎn)建議:CCHCNMHSa();28- 30.a.要求PCB出圖時(shí)光電轉換器件與前置運放[4] 張若嵐 電路系統中噪聲問(wèn)題研究[].電子技術(shù),2001間的信號線(xiàn)盡可能短;.(2): 62 - 65.