光電檢測電路的設計與研究

肖玲 李永明

摘 要： 光電檢測技術是光學技術與電子技術相結合以實現對各種光學物理量的檢測與測量，當應用于惡劣的環境中，待測的光信號易受到外界的干擾，信號強度較弱時，設備要想提取準確完整的信號時，要求對檢測電路提出更高的要求，如何將微弱信號從噪聲中提取、恢復和增強成為光電檢測的關鍵。

關鍵詞： 光電轉化;放大電路

光電檢測設備的核心技術包括：光電轉化技術、光信息提取與測量以及電信號的處理技術。

本文將著重介紹光電轉化技術模塊中光信號的檢測與放大的電路設計，用于微弱信號的提取檢測與放大。

1 光電檢測器

光電檢測器能夠檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉換。對光檢測器的基本要求是：在工作波長上具有足夠高的響應度、響應速度足夠夠快、線性良好與噪聲較低。目前常用的檢測器主要有兩種：pin型光電二極管和APD雪崩型光電二極管。

2 前端放大電路

當入射光照射到光電二極管上會產生與入射光量成比例的電流，跨阻放大器作為光電轉化的前端放大器其工作原理如下圖所示，理論上光電二極管產生的電流Id都要經過圖中的反饋電阻RF，輸出電壓VOUT=Id×RF，雖然電路原理簡單，但若使系統具備最佳的性能在選擇跨阻放大器時重點考慮以下參數。

低輸入失調電壓：在光電檢測前端電路中，因系統所用光電二極管并不是理想器件，在無光的情況下會有少量電流輸出（暗電流），而運算放大器的輸入失調電壓會使得光電二極管輸出更多的暗電流，導致光電檢測系統的失調誤差增大，同時會縮小檢測系統的動態范圍。所以針對光電檢測的前端電路應用，選擇輸入失調電壓越低越好。

低輸入偏置電流：光電二極管輸出電流進入運算放大器輸入端或反饋電阻之外的其它地方都會產生誤差，而零輸入偏置電流的運算放大器時不存在的，所以選擇一款低輸入偏置電流的放大器對于減小系統誤差很關鍵。

此外對于微弱信號的檢測應用中還要注意增益帶寬的選擇，因小信號的采集需要更高的增益，而過高的增益會可能會引起輸出信號的振蕩，所以在保證信號穩定的前提下需要在反饋電路中增加電容以補償，但補償電路的增加所帶來的直接后果就是帶寬的減小從而引起輸出信號的失真，所以在具體的應用中要注意帶寬與增益的平衡折中選擇。

3 二級放大電路

前級電路實現電流到電壓的轉換所以二級電路則主要專注于電壓放大這一具體任務，所以我們在選擇二級放大器時除了要關注上文提到的低失調電壓、低偏置電流外還要注意共模抑制比、噪聲系數以及溫漂參數的選擇。

如右圖所示：二級放大電路選擇單端輸入模式，按照一定倍數放大前端輸出信號與基準GND之間的電壓差，RF2、FG2組成的電阻網絡作為二級放大電路所需的增益值。因單端輸入模式的選擇使得當前端信號出現很小的干擾時，二級輸出電壓值也會出現更大的變化，而選擇較低的共模抑制比便可以改善這種問題。

隨著運算放大器工作時間的增加其溫度會緩慢升高，而偏置電流、失調電壓以及噪聲等會隨著溫度的升高而增大，導致放大器輸出端發生更大的變化，所以選擇一款低溫漂的放大器對系統的穩定很重要。

4 電源濾波及布局走線

在電路設計過程中除了選擇性能參數合適的放大器之外，還應注意對信號測量能夠產生影響的其他因素，如電源紋波干擾，電磁輻射與干擾等，所以需要設計人員通過優化設計來減小外部因素對放大電路中信號提取與測量的干擾。

首先在電路設計過程中增加濾波電路，降低通帶外部的干擾，改善通帶內的信號質量。

其次采用集成電源模塊可以增加電路電源的穩定性，且外部所需很少的器件便可實現電源紋波的濾波去耦，對于電路中微弱信號的檢測有顯著的優勢;最后良好的布局布線與接地設計，可以增強屏蔽效果減弱外部因素對信號檢測的干擾。

5 結語

光電檢測放大電路是精密光學檢測與測量系統的重要構建模塊，如何選擇正確的運算放大器是系統獲得最佳性能的第一步，本文只是簡單介紹光信號檢測中的一種電路，在實際的應用中還應注意器件與器件之間的匹配連接，以及電路結構的優化使設計更加簡潔有效，才能使檢測電路對復雜光信號進行高效的處理。

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