光電技術(shù)是將傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種高新技術(shù),。 以光電轉(zhuǎn)換電路為核心的光電檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到軍事,、工業(yè)、農(nóng)業(yè),、環(huán)境科學(xué),、醫(yī)療和航天等諸多領(lǐng)域。 所謂的光電轉(zhuǎn)換是以光電二極管為基礎(chǔ)器件， 通過(guò)將照射于二極管上光通量的改變量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光電流,，再經(jīng)過(guò)前置放大,、主放大等后續(xù)電路進(jìn)一步優(yōu)化有用信號(hào)， 最后實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)與相應(yīng)算法的連接,。 由此可見(jiàn),， 任何光電檢測(cè)系統(tǒng)中， 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化都是重中之重,， 它性能的穩(wěn)定以及相關(guān)參數(shù)的合理性將決定著整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成敗,。
1 光電轉(zhuǎn)換- 前置放大電路的設(shè)計(jì)
光電二極管在受到光照時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與照度成正比的小電流,， 因此是很好的光- 電傳感器,。 光電二極管可以在2 種模式下工作， 一是零偏置的光伏模式,； 一是反偏置的光導(dǎo)模式,，具體電路如圖1 所示。 在光伏模式時(shí),， 光電二極管可以非常精確地線(xiàn)性工作,； 而在光導(dǎo)模式時(shí)， 光電二極管能夠?qū)崿F(xiàn)較高的切換速度,， 但要犧牲線(xiàn)性,； 同時(shí)， 反偏置模式下的光電二極管即使在無(wú)光照條件下也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極小的暗電流,， 暗電流可能會(huì)引入輸入噪聲,。 因此選用光伏模式。
理想的光電二極管有恒流源的特性,， 當(dāng)其負(fù)載電阻為零時(shí)輸出特性較好,， 而由理想放大器構(gòu)成的前置放大電路又有 虛短、虛斷,！的概念,， 其輸入阻抗R in= Rf / （ 1+ A ） ，式中,， A 為運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益， Rf 為反饋電阻,。 一般而言,， A >=106 ， 所以R in ≈0,； 即保證了光電二極管在光伏模式下的線(xiàn)性工作特性,。 通過(guò)反饋電阻將光電二極管與運(yùn)算放大器相連接， 將其產(chǎn)生的微弱電流通過(guò)較大的反饋電阻Rf形成壓降,， 從而實(shí)現(xiàn)光通量的改變—— 光電流——電壓的I/ V 前置放大轉(zhuǎn)換,。
圖1 光電二極管的工作模式
光電二極管的選擇依據(jù)：
圖2 光電二極管等效電路
圖2 中I sc 為光電流,； Rd 為二極管內(nèi)阻； Cd 為二級(jí)管結(jié)電容,； I ns 為二級(jí)管的散粒噪聲電流,； I nd為二極管內(nèi)阻的熱噪聲電流。 光電二極管與后續(xù)的理想運(yùn)放構(gòu)成前置放大電路時(shí),， 影響其性能參數(shù)的因素主要是以下幾點(diǎn)：
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