光源信號的光電傳感檢測電路分析

【摘要】簡述了光電二級管傳感檢測電路的工作過程，對光電傳感應用電路形式、零點漂移、噪聲等進行了分析，提出改善信噪比的方法。

【關鍵詞】光電二極管運算放大器零點漂移信噪比應用電路

【中圖分類號】TN710.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2012）11-0069-01

引言

隨著現代科學技術以及復雜自動控制系統和信息處理與技術的提高，光電傳感檢測技術已廣泛應用于軍事、工業、農業、環境、科學、醫療衛生和民用等諸多領域。其具有能進行遠距離、非接觸、快速、高靈敏度的檢測和傳輸的特性，還具有檢測信噪比高、抗抗干擾能力強、信息容量大等特點。光電信息技術的主要技術之一，它是以激光、紅外、光纖等現代光電子其件作為基礎，通過對被檢測物體的光輻射，經光電檢測器接受光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，本文將介紹一種光源信號的光電二極管傳感電檢測電路。

基本電路分析

用光電二極管組成的光電檢測電路，看起來好象用一個光電二極管、一個放大器和一個電阻便能輕易地實現簡單的電流至電壓的轉換，但這種應用電路卻提出了一個問題的多個側面。光電二極管的結構是：在P型半導體和N型半導體之間夾著較厚的本征半導體，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。此種光電二極管的特點是頻帶寬，不足的是輸出電流是數微安，因此需與高輸入阻抗低輸出阻抗的運算放大器相連，把光電二極管電流信號變換成功率相對較大的電壓信號。其電路如圖所示。

光電二極管相當于一個電流源，利用運算放大器的閉環運算功能，可通過反饋電阻的的作用把流過電阻Rf的電流使得運放輸出電壓為v=IpRf，再經過精密放大，從而實現光——電流——電壓的的線性轉換。

零點漂移與噪聲分析

設光電二極管結電容為Co，光電二極管的等效電阻Ro，反饋電阻Rf，反饋電容cf忽略運放的零點噪聲電流，則光電二極管電流為電流Ipo=Id+（1+2Kt/e）/Ro，而運放CPAl28J輸出電壓為

Eo=Rflp/（1+jwRoCo）+（1+Rf/Ro）（1+jwRoCo）

根據輸出表達式信號電流Ip在直流和較低率時為反饋電阻，隨著頻率增大，結電容的作用開始表現出來，信號電流放大倍數開始下降，轉折頻率為1/2 n RfCf，而噪聲電壓與信號電流的幅頻特性完全不同，在直流段和較低頻率時噪聲電壓的放大倍數為1+P，f/Ro，隨著頻率的增加，噪聲增益開始增高，在高頻段，噪聲增益限定在1+Co/Cf，由此可見Ro越大，Co越小噪聲的影響越小。而加入Cf可限制噪聲增益。

除了運放帶人噪聲外，反饋熱電Rf的熱噪聲也是一個重要的噪聲源。在純電阻情況下，電阻的熱噪聲Ut輸出取決檢測電路的實際通頻帶。因此，在反饋電容并聯在反饋電阻上，相當于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬。

光電傳感檢測電路的設計思路

1、光電二極管的結電容的并聯電阻R0應盡可能大。以此減小噪聲放大倍數。

2、反饋電阻Rf在滿足頻帶寬度情況下應盡量大，因為反饋電阻帶人的信噪比正比于Rf的函數，Rf越大，信噪比越高。

3、應減少Ipo，即選用超低偏置的電流運放，以提高檢測的靈敏度和精度。當反饋電阻較大時，偏流會在反饋電阻產生偏移電壓，給檢測帶人誤差。

4、光電二極管為零漂操作時，暗電流很小，可提高有用信號的精度；而反偏操作時會引入暗電流和電流噪聲。但零偏時結電容比反偏操作時大幾十幾倍，這又會放大噪聲電壓，故要根據具體應用區別對待。

5、不建議用小電阻值自竹型網絡來代替大電阻值的反饋電阻，因為一般超低偏置電流的運放的偏移電壓，漂移和噪聲電壓比價大，T型網絡放大結構會放大的更多，顯然不合適。

6、為降低噪聲大小和消除振蕩，常在反饋電阻上并聯小電容，但并聯電容會影響信號的帶寬，要注意它的取值范圍。

7、光電傳感檢測電路必須用金屬外殼屏蔽，因反饋電阻—般較大，很容易接受干擾；同時應注意線路板上的布線，減少泄露電流。必要時可將光電二極管和反饋電阻懸浮，與運放直接連接，以減少泄露電流，提高檢測的靈敏度。

8、轉換速率sR是指放大電路在閉環狀態下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，放大電路輸出電壓對時間的最大變化速率，即：轉換速率的大小與許多因素有關，其中主要與運放所加的補償電容，運放本身各級BJT的極間電容、雜散電容，以及放大電路提供的充電電流等因素有關。在aX3v信號瞬變的過程中，輸出電壓只有在電路的電容被充電后才隨輸入電壓做線形變化，通常要求運放的SR大于信號變斜率的絕對值。

系統中間級與輸出分析

中間級為差分放大級，可以獲得很高的增益。為了實現零輸入/零輸出直流電平的要求，在中間級設置直流電平的位移電路，降低直流工作點，并起到雙端變單端的作用。差分放大器進一步放大信號，并使輸入級所產生的失調對后級影響減弱。單端輸出后接阻抗變換電路，對后級電路，前級電路的輸出電阻降低了，因而提高了輸出級的電壓增益；其次，其輸入電阻設計值比輸出級輸入電阻大一個數量級，從而減小了后級電路的負載效應，提高了輸入級的電壓增益。

輸出級采用了射極輸出和互補對稱乙類推挽電路的形式。輸出級的主要著眼點是具有一定的帶負載能力，因此輸出電阻盡可能小，并且有一定的電壓和電流動態范圍以及減小靜態時的直流功耗。輸出級的主要著眼點是具有一定的帶負載能力，因此輸出電阻盡可能小，并且有一定的電壓和電流動態范圍以及減小靜態時的直流功耗。

結束語

本文特別關注了與標準光檢測電路有關的穩定性和噪聲問題。電路工作原理為如何較好地解決設計問題提供了思路。而模擬則用于驗證理論，它說明如何才能設計出一個低噪聲又充分穩定的電路方案。設計中的可變參數是光電二極管、運算放大器和反饋網絡。選擇光電二極管主要是因為其良好的光響應特性。但是，它的寄生電容會對噪聲增益和電路的穩定性產生影響。選擇運放是由于其小的輸入偏置電流和帶寬。此外，放大器產生的噪聲也是一個重要的指標。最后，反饋網絡也影響系統的信號帶寬和噪聲幅度。

總之，理論和模擬相互吻合，設計過程中最后且最重要的一步就是制作實驗模擬板。