雪崩增益光電傳感器的電路設計

【摘 要】該文闡述了光電傳感器的分類，光電傳感器的工作原理以及影響光電傳感器的性能指標的直流因素的影響，并針對直流因素的影響提出了解決方案。

【關鍵詞】光電傳感器；光電二極管；直流影響

光電傳感器就是采用光電元器件作為檢測元件的傳感器，光電傳感器的原理是利用光強度的變化轉換成電信號的變化。它可用于檢測如光強、輻射測溫、吸收和發散光譜、光照度、濁度測量、氣體成分分析等。最常見的光電傳感器有光電二極管和光電三極管。由于光電傳感器具有非接觸、性能可靠、響應快等優點，被廣泛的應用在自動化測試、移動通信等多個領域。

雪崩光電二極管是最普通的一種光電傳感器。雪崩光電二極管就是利用載流子的雪崩倍增效應來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。雪崩光電二極管在它的有效區域，根據光強度產生相應強度的電流，然后通過反饋放大器，輸出相應幅度的電壓值，如圖1所示。

圖1 光電傳感器的原理示意圖

想得到一個高靈敏度的雪崩光電二極管放大電路，第一個挑戰是選擇一款適合的運算放大器。在大多數的精密應用中，在對放大器進行選擇的時候，首先要選擇一款低失調電壓的放大器，失調電壓在放大器電路中主要表現為光電二極管的暗電流增加，暗電流的增加會影響放大器的整體輸出，失調電壓對系統而言，會造成整體的系統誤差；其次，要選擇放大器的輸入漏電流，任何形式的電流，只要是從放大器的輸入端進入放大器，都會對系統造成測量誤差。

想得到一個高靈敏度的雪崩光電二極管放大電路，第二個挑戰是設計一個合理的電路布局，盡量減少外部泄漏路徑，這些泄露可能會導致運算放大器的性能降低。最常見的外部泄露路徑是通過印制板電路本身造成的泄露。如圖2所示的印制板圖，就是一個典型的放大器布局不合理造成外部泄露的布局。

圖2 有泄漏的光電傳感器的布局圖

圖2中的+5V布線是放大器的供電端，同時也是印制板其他器件的供電端，如果印制板的+5V和光電二極管的輸入之間的電阻是5GΩ（如圖3的RL所示），那么就會有1nA的電流從+5V的供電端流入放大器。這樣，我們精心選擇的1pA的放大器，就失去了意義。為了減小外部泄露對放大器的影響，我們可以采用圖3的布局。

圖3 避免泄露的光電傳感器的布局圖

圖3中將光電二極管的輸出與+5V的供電使用光電二極管的地線隔離開來，這樣如圖所示，+5V的板間電阻RL就不會對放大器的輸入產生影響，這樣就有效的降低了由于布局不合理造成的外部電流泄露。

總之，要設計一個高靈敏度的雪崩增益光電傳感器電路。不僅要選擇合適參數的放大器，更要有合理的電路板布局，這樣才能更有效地發揮傳感器電路的性能。