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【摘要】简述了光电二级管传感检测电路的工作过程，对光电传感应用电路形式、零点漂移、噪声等进行了分析，提出改善信噪比的方法。
【关键词】光电二极管运算放大器零点漂移信噪比应用电路
【中图分类号】TN710.2 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0069-01
引言
随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电传感检测技术已广泛应用于军事、工业、农业、环境、科学、医疗卫生和民用等诸多领域。其具有能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输的特性，还具有检测信噪比高、抗抗干扰能力强、信息容量大等特点。光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子其件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，本文将介绍一种光源信号的光电二极管传感电检测电路。
基本电路分析
用光电二极管组成的光电检测电路，看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。光电二极管的结构是：在P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。此种光电二极管的特点是频带宽，不足的是输出电流是数微安，因此需与高输入阻抗低输出阻抗的运算放大器相连，把光电二极管电流信号变换成功率相对较大的电压信号。其电路如图所示。
光电二极管相当于一个电流源，利用运算放大器的闭环运算功能，可通过反馈电阻的的作用把流过电阻Rf的电流使得运放输出电压为v=IpRf，再经过精密放大，从而实现光——电流——电压的的线性转换。
零点漂移与噪声分析
设光电二极管结电容为Co，光电二极管的等效电阻Ro，反馈电阻Rf，反馈电容cf忽略运放的零点噪声电流，则光电二极管电流为电流Ipo=Id+（1+2Kt/e）/Ro，而运放CPAl28J输出电压为
Eo=Rflp/（1+jwRoCo）+（1+Rf/Ro）（1+jwRoCo）
根据输出表达式信号电流Ip在直流和较低率时为反馈电阻，随着频率增大，结电容的作用开始表现出来，信号电流放大倍数开始下降，转折频率为1/2 n RfCf，而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同，在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为1+P，f/Ro，随着频率的增加，噪声增益开始增高，在高频段，噪声增益限定在1+Co/Cf，由此可见Ro越大，Co越小噪声的影响越小。而加入Cf可限制噪声增益。
除了运放带人噪声外，反馈热电Rf的热噪声也是一个重要的噪声源。在纯电阻情况下，电阻的热噪声Ut输出取决检测电路的实际通频带。因此，在反馈电容并联在反馈电阻上，相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽。
光电传感检测电路的设计思路
1、光电二极管的结电容的并联电阻R0应尽可能大。以此减小噪声放大倍数。
2、反馈电阻Rf在满足频带宽度情况下应尽量大，因为反馈电阻带人的信噪比正比于Rf的函数，Rf越大，信噪比越高。
3、应减少Ipo，即选用超低偏置的电流运放，以提高检测的灵敏度和精度。当反馈电阻较大时，偏流会在反馈电阻产生偏移电压，给检测带人误差。
4、光电二极管为零漂操作时，暗电流很小，可提高有用信号的精度；而反偏操作时会引入暗电流和电流噪声。但零偏时结电容比反偏操作时大几十几倍，这又会放大噪声电压，故要根据具体应用区别对待。
5、不建议用小电阻值自竹型网络来代替大电阻值的反馈电阻，因为一般超低偏置电流的运放的偏移电压，漂移和噪声电压比价大，T型网络放大结构会放大的更多，显然不合适。
6、为降低噪声大小和消除振荡，常在反馈电阻上并联小电容，但并联电容会影响信号的带宽，要注意它的取值范围。
7、光电传感检测电路必须用金属外壳屏蔽，因反馈电阻—般较大，很容易接受干扰；同时应注意线路板上的布线，减少泄露电流。必要时可将光电二极管和反馈电阻悬浮，与运放直接连接，以减少泄露电流，提高检测的灵敏度。
8、转换速率sR是指放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率，即：转换速率的大小与许多因素有关，其中主要与运放所加的补偿电容，运放本身各级BJT的极间电容、杂散电容，以及放大电路提供的充电电流等因素有关。在aX3v信号瞬变的过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后才随输入电压做线形变化，通常要求运放的SR大于信号变斜率的绝对值。
系统中间级与输出分析
中间级为差分放大级，可以获得很高的增益。为了实现零输入/零输出直流电平的要求，在中间级设置直流电平的位移电路，降低直流工作点，并起到双端变单端的作用。差分放大器进一步放大信号，并使输入级所产生的失调对后级影响减弱。单端输出后接阻抗变换电路，对后级电路，前级电路的输出电阻降低了，因而提高了输出级的电压增益；其次，其输入电阻设计值比输出级输入电阻大一个数量级，从而减小了后级电路的负载效应，提高了输入级的电压增益。
输出级采用了射极输出和互补对称乙类推挽电路的形式。输出级的主要着眼点是具有一定的带负载能力，因此输出电阻尽可能小，并且有一定的电压和电流动态范围以及减小静态时的直流功耗。输出级的主要着眼点是具有一定的带负载能力，因此输出电阻尽可能小，并且有一定的电压和电流动态范围以及减小静态时的直流功耗。
结束语
本文特别关注了与标准光检测电路有关的稳定性和噪声问题。电路工作原理为如何较好地解决设计问题提供了思路。而模拟则用于验证理论，它说明如何才能设计出一个低噪声又充分稳定的电路方案。设计中的可变参数是光电二极管、运算放大器和反馈网络。选择光电二极管主要是因为其良好的光响应特性。但是，它的寄生电容会对噪声增益和电路的稳定性产生影响。选择运放是由于其小的输入偏置电流和带宽。此外，放大器产生的噪声也是一个重要的指标。最后，反馈网络也影响系统的信号带宽和噪声幅度。
总之，理论和模拟相互吻合，设计过程中最后且最重要的一步就是制作实验模拟板。
【关键词】光电二极管运算放大器零点漂移信噪比应用电路
【中图分类号】TN710.2 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0069-01
引言
随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电传感检测技术已广泛应用于军事、工业、农业、环境、科学、医疗卫生和民用等诸多领域。其具有能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输的特性，还具有检测信噪比高、抗抗干扰能力强、信息容量大等特点。光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子其件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，本文将介绍一种光源信号的光电二极管传感电检测电路。
基本电路分析
用光电二极管组成的光电检测电路，看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。光电二极管的结构是：在P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。此种光电二极管的特点是频带宽，不足的是输出电流是数微安，因此需与高输入阻抗低输出阻抗的运算放大器相连，把光电二极管电流信号变换成功率相对较大的电压信号。其电路如图所示。
光电二极管相当于一个电流源，利用运算放大器的闭环运算功能，可通过反馈电阻的的作用把流过电阻Rf的电流使得运放输出电压为v=IpRf，再经过精密放大，从而实现光——电流——电压的的线性转换。
零点漂移与噪声分析
设光电二极管结电容为Co，光电二极管的等效电阻Ro，反馈电阻Rf，反馈电容cf忽略运放的零点噪声电流，则光电二极管电流为电流Ipo=Id+（1+2Kt/e）/Ro，而运放CPAl28J输出电压为
Eo=Rflp/（1+jwRoCo）+（1+Rf/Ro）（1+jwRoCo）
根据输出表达式信号电流Ip在直流和较低率时为反馈电阻，随着频率增大，结电容的作用开始表现出来，信号电流放大倍数开始下降，转折频率为1/2 n RfCf，而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同，在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为1+P，f/Ro，随着频率的增加，噪声增益开始增高，在高频段，噪声增益限定在1+Co/Cf，由此可见Ro越大，Co越小噪声的影响越小。而加入Cf可限制噪声增益。
除了运放带人噪声外，反馈热电Rf的热噪声也是一个重要的噪声源。在纯电阻情况下，电阻的热噪声Ut输出取决检测电路的实际通频带。因此，在反馈电容并联在反馈电阻上，相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽。
光电传感检测电路的设计思路
1、光电二极管的结电容的并联电阻R0应尽可能大。以此减小噪声放大倍数。
2、反馈电阻Rf在满足频带宽度情况下应尽量大，因为反馈电阻带人的信噪比正比于Rf的函数，Rf越大，信噪比越高。
3、应减少Ipo，即选用超低偏置的电流运放，以提高检测的灵敏度和精度。当反馈电阻较大时，偏流会在反馈电阻产生偏移电压，给检测带人误差。
4、光电二极管为零漂操作时，暗电流很小，可提高有用信号的精度；而反偏操作时会引入暗电流和电流噪声。但零偏时结电容比反偏操作时大几十几倍，这又会放大噪声电压，故要根据具体应用区别对待。
5、不建议用小电阻值自竹型网络来代替大电阻值的反馈电阻，因为一般超低偏置电流的运放的偏移电压，漂移和噪声电压比价大，T型网络放大结构会放大的更多，显然不合适。
6、为降低噪声大小和消除振荡，常在反馈电阻上并联小电容，但并联电容会影响信号的带宽，要注意它的取值范围。
7、光电传感检测电路必须用金属外壳屏蔽，因反馈电阻—般较大，很容易接受干扰；同时应注意线路板上的布线，减少泄露电流。必要时可将光电二极管和反馈电阻悬浮，与运放直接连接，以减少泄露电流，提高检测的灵敏度。
8、转换速率sR是指放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率，即：转换速率的大小与许多因素有关，其中主要与运放所加的补偿电容，运放本身各级BJT的极间电容、杂散电容，以及放大电路提供的充电电流等因素有关。在aX3v信号瞬变的过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后才随输入电压做线形变化，通常要求运放的SR大于信号变斜率的绝对值。
系统中间级与输出分析
中间级为差分放大级，可以获得很高的增益。为了实现零输入/零输出直流电平的要求，在中间级设置直流电平的位移电路，降低直流工作点，并起到双端变单端的作用。差分放大器进一步放大信号，并使输入级所产生的失调对后级影响减弱。单端输出后接阻抗变换电路，对后级电路，前级电路的输出电阻降低了，因而提高了输出级的电压增益；其次，其输入电阻设计值比输出级输入电阻大一个数量级，从而减小了后级电路的负载效应，提高了输入级的电压增益。
输出级采用了射极输出和互补对称乙类推挽电路的形式。输出级的主要着眼点是具有一定的带负载能力，因此输出电阻尽可能小，并且有一定的电压和电流动态范围以及减小静态时的直流功耗。输出级的主要着眼点是具有一定的带负载能力，因此输出电阻尽可能小，并且有一定的电压和电流动态范围以及减小静态时的直流功耗。
结束语
本文特别关注了与标准光检测电路有关的稳定性和噪声问题。电路工作原理为如何较好地解决设计问题提供了思路。而模拟则用于验证理论，它说明如何才能设计出一个低噪声又充分稳定的电路方案。设计中的可变参数是光电二极管、运算放大器和反馈网络。选择光电二极管主要是因为其良好的光响应特性。但是，它的寄生电容会对噪声增益和电路的稳定性产生影响。选择运放是由于其小的输入偏置电流和带宽。此外，放大器产生的噪声也是一个重要的指标。最后，反馈网络也影响系统的信号带宽和噪声幅度。
总之，理论和模拟相互吻合，设计过程中最后且最重要的一步就是制作实验模拟板。