光电检测电路设计研究

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摘要:光电检测技术是光学技术与电子技术相结合以实现对各种光学物理量的检测与测量，当应用于恶劣的环境中，待测的光信号易受到外界的干扰，信号强度较弱时，设备要想提取准确完整的信号时，要求对检测电路提出更高的要求，如何将微弱信号从噪声中提取、恢复和增强成为光电检测的关键。

关键词:光电转化;放大电路

光电检测设备的核心技术包括:光电转化技术、光信息提取与测量以及电信号的处理技术。本文将着重介绍光电转化技术模块中光信号的检测与放大的电路设计，用于微弱信号的提取检测与放大。

1光电检测器

光电检测器能够检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是:在工作波长上具有足够高的响应度、响应速度足够够快、线性良好与噪声较低。目前常用的检测器主要有两种:pin型光电二极管和APD雪崩型光电二极管。

2前端放大电路

当入射光照射到光电二极管上会产生与入射光量成比例的电流，跨阻放大器作为光电转化的前端放大器其工作原理如下图所示，理论上光电二极管产生的电流Id都要经过图中的反馈电阻RF，输出电压VOUT=Id×RF，虽然电路原理简单，但若使系统具备最佳的性能在选择跨阻放大器时重点考虑以下参数。低输入失调电压:在光电检测前端电路中，因系统所用光电二极管并不是理想器件，在无光的情况下会有少量电流输出(暗电流)，而运算放大器的输入失调电压会使得光电二极管输出更多的暗电流，导致光电检测系统的失调误差增大，同时会缩小检测系统的动态范围。所以针对光电检测的前端电路应用，选择输入失调电压越低越好。低输入偏置电流:光电二极管输出电流进入运算放大器输入端或反馈电阻之外的其它地方都会产生误差，而零输入偏置电流的运算放大器时不存在的，所以选择一款低输入偏置电流的放大器对于减小系统误差很关键。此外对于微弱信号的检测应用中还要注意增益带宽的选择，因小信号的采集需要更高的增益，而过高的增益会可能会引起输出信号的振荡，所以在保证信号稳定的前提下需要在反馈电路中增加电容以补偿，但补偿电路的增加所带来的直接后果就是带宽的减小从而引起输出信号的失真，所以在具体的应用中要注意带宽与增益的平衡折中选择。

3二级放大电路

前级电路实现电流到电压的转换所以二级电路则主要专注于电压放大这一具体任务，所以我们在选择二级放大器时除了要关注上文提到的低失调电压、低偏置电流外还要注意共模抑制比、噪声系数以及温漂参数的选择。如右图所示:二级放大电路选择单端输入模式，按照一定倍数放大前端输出信号与基准GND之间的电压差，RF2、FG2组成的电阻网络作为二级放大电路所需的增益值。因单端输入模式的选择使得当前端信号出现很小的干扰时，二级输出电压值也会出现更大的变化，而选择较低的共模抑制比便可以改善这种问题。随着运算放大器工作时间的增加其温度会缓慢升高，而偏置电流、失调电压以及噪声等会随着温度的升高而增大，导致放大器输出端发生更大的变化，所以选择一款低温漂的放大器对系统的稳定很重要。

4电源滤波及布局走线

在电路设计过程中除了选择性能参数合适的放大器之外，还应注意对信号测量能够产生影响的其他因素，如电源纹波干扰，电磁辐射与干扰等，所以需要设计人员通过优化设计来减小外部因素对放大电路中信号提取与测量的干扰。首先在电路设计过程中增加滤波电路，降低通带外部的干扰，改善通带内的信号质量。其次采用集成电源模块可以增加电路电源的稳定性，且外部所需很少的器件便可实现电源纹波的滤波去耦，对于电路中微弱信号的检测有显著的优势;最后良好的布局布线与接地设计，可以增强屏蔽效果减弱外部因素对信号检测的干扰。

5结语

光电检测放大电路是精密光学检测与测量系统的重要构建模块，如何选择正确的运算放大器是系统获得最佳性能的第一步，本文只是简单介绍光信号检测中的一种电路，在实际的应用中还应注意器件与器件之间的匹配连接，以及电路结构的优化使设计更加简洁有效，才能使检测电路对复杂光信号进行高效的处理。

参考文献:

［1］刘彬，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):193-196．

［2］霍戌文，李伟，李进，等．光电探测微弱信号放大器设计［J］．浙江理工大学学报，2005，22(3):160-162．

［3］李晓坤．精密光电检测电路设计方案［J］．电子产品世界，2003(23):37-39．

［4］李贤芳．一种微弱信号检测的设计［J］．西部皮革，2017，39(08):71．

作者:肖玲 单位:天津市德力电子仪器有限公司