光电转换及信处理电路设计0001

1、光电转换及信号处理电路设计与CCD等探测器不同，PIN光电二极管对于探测目标输出信号是一个电流信号，而且在距离探测目标较远时照射到探测面的光信号很微弱，在预定电压偏置下输出电流会比较小，因而可以概括PIN的输出信号为一个微弱电流信号，对于PIN的输出信号处理，是一个微弱信号处理的过程。数据采集模块CY7C68013图1光电转换及信号处理模块整体设计示意图通常情况下，电流信号的采集和处理都是比较困难的，故首先需要对PIN的信号进行电流到电压的转化。微弱电流信号转化而来的电压信号一般也是微弱信号，而且传输线耦合进去的交流噪声有可能会淹没目标信号，故为了提高信噪比，需要在采集之前对信号进行前置放大。

2、由于被测信号也是可见光信号，在进行光电探测时很容易受到杂散光和PIN自身暗电流的影响，导致噪声信号和目标信号一同被放大，在后续电路中不易消除，为了减少杂散光和PIN暗电流带来的噪声、背景噪声和元器件噪声，本光电信号处理电路设计了一个参考PIN光电转换电路，用来接收杂散光和背景噪声，参考PIN光电转换电路与探测信号PIN光电转换电路及的参数一致，前置放大电路的参数也一样，但是在实验过程中由于与目标光信号之间的光路被人为完全遮挡，故只能接收到杂散光信号和背景噪声信号。在后续的差分放大电路中通过信号同向相减，把系统噪声和背景噪声去除，保证了最终采集信号具有较高的信噪比。在最后的滤波电路设计过程中，考

3、虑到被测目标光信号的调制频率不会超过200KHZ，而空气和电路中存在着大量的高频噪声，为了保证即将进入数据采集模块的信号有较高的信噪比，需要滤除掉高频噪声，于是需要根据被测信号频率的不同设计一款低通滤波器或者带通滤波器。综上所述，本光电转换和信号处理模块由光电转换电路、前置放大电路、差分放大电路和滤波电路四个部分组成，模块整体示意图如图4-1所示。1光电转换电路设计光电二极管的光探测方式有两种结构：一是光电导模式，在这种模式下，需给光电二极管加反向偏置电压，存在暗电流Id，由此会产生较大的噪声电流，有非线性，通常应用在高速场合；二是光电压模式，在这种模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在暗电流

4、Id，有较低的噪声，线性好，噪声低(主要是热噪声)，适合于比较精确的测量31。在微弱信号检测中比较常用的是光电压模式，具体光电检测电路图如图2所示。对图2光电压模式PIN光电转换电路光电二极管工作于短路状态，极大地降低了暗电流的影响，从而使光电二极管得到最大SNR，进而使后续放大电路仅放大与光强成正比的电流。考虑到对目标光信号的探测频率不同，本文采用了两款响应率不同PIN光电二极管，用于探测低频光信号的PIN选择的是西门子(SIEMENS)公司的BPX65硅光敏二极管，用于探测高频光信号的高速PIN选择的是日本滨松的S5973硅光敏二极管。BPX65具有频率响应范围广，暗电流小，高灵敏度等特点

5、，最高工作温度可达125°，其主要特性参数如下所示：(1) 光谱响应范围为350nmllOOnm,峰值波长850nm，适合白光测量；(2) 暗电流IRW5nA；(3) 光谱灵敏度(S0.55A/W；(4) 光敏面接收半角(Halfangle)：±45°；(5) 受光面积为1mm2，远小于传感器与探测目标的距离；(6)脉冲上升、下降时间：12ns；BPX65的频谱响应曲线如图3所示:400厂/>t1n/RelativeSpectralSensitivity0HFD1119&0080&1000nm1200图3BPX65光敏二极管频谱响应曲线32S

6、5973具有咼响应频率，咼可靠性，暗电流小，咼灵敏度等特点，适合进行白光探测和激光探测，其主要特性参数如下所示33：(1) 光谱响应范围为320nm1000nm,峰值波长760nm,；(2) 响应频率：1GHz(S5973),截止频率1.5GHz；(3) 暗电流IRW0.1nA；(4) 光谱灵敏度(S>0.3A/W；(5) 受光面积为0.12mm2，远小于传感器与探测目标的距离；S597X系列的光敏二极管频谱响应曲线如图4所示：WAVELENGTH(Pm)于卢旦U_ALUSN山g01OHCI图4S597X系列光敏二极管频谱响应曲线33由此可见BPX65PIN光敏二极管更适合做低速光信号测

7、量，而滨松公司生产的S5973PIN硅光敏二极管可利用其高光谱响应频率用作高速光电信号测量；二者的关键参数对比如表1所示：表1BPX65和S5973关键参数对比参数BPX65范围S5973范围光谱响应范围（nm）350-1100850光谱峰值波长（nm）320-1000760光谱响应频率W50MHzW1.5GHz暗电流W5nAW0.1nA光谱灵敏度0.55A/W0.3A/W受光面积1mm20.12mm22前置放大电路设计如图5为光电转换和前置放大电路设计，其中外层反馈为短路形式的基本放大电路，可以提高光电探测器的检测灵敏度和测量范围，其中：VO=1）1式中f为信号频率，fH=1,R1为反馈电阻

8、，可知在直流或者低频范围H2兀RC111内,即ffh时，其变换系数为反馈电阻R1，所以V°=-R*T,其中T为光电流,而当信号频率逐渐提高时，旁路电容q的作用也就开始体现出来了，也即当信11号频率f>1时，信号增益逐渐减小，称丄为转折频率，同时可见旁2兀RC2兀RC1111路电容有C1减小高频噪声的作用34。Ic1C2|R4图5光电转换和前置放大电路设计由街和A2组成复合放大电路，也具有减小噪声带宽，提高系统信噪比的功能。因为由R3,r4,C2构成基本反馈电路基础上的附加内反馈，在直流和信号光电转换及信号处理电路设计频率比较低的情况下，该附加内反馈由C2断开，此时整个前置放大器

9、的开环增益是两个放大器的开环增益之积A*A2。而在交流信号的频率f>>12兀RC42的情况下，整个前置放大器的开环增益变成为A*r4/r3,通过合理设置R4/R3的比值，使A1*R4/R3A,可以明显减小噪声的带宽，减小噪声的影响，从而提高系统的信噪比。当不满足f>>f0的要求时，即该附加内反馈仅使高频噪声的带宽变窄，而信号带宽不变，进而提高系统的信噪比。另外使用R2可以补偿因R1过大而引入的误差，一般情况下取R2=R1，电容Cp可以用来消除R2上面的杂散噪声35。3差分放大电路设计如图6为常用的差分放大电路结构，其中运放选择为超低失调的运算放大器OP07，当仅考虑反相

10、输入端时，其输出电压为：RV二（2）OUT1RS13当仅考虑同相输入端时，其输出电压为：RR+RV二ix3卜V（3）0UT2R+RRS2123所以当R3=R2,R1=Rf时，总输出电压为公式（4-4）所示:RR|RRRV二V+V二1x二4V-1V二"V-V）（4）OUTOUT1OUT2R+RRS2RS1RS2S112333即运算放大器实现了对两个输入电压差的放大。4低通滤波电路设计本设计选择压控型二阶低通滤波器如图7所示，根据实际测量需要取得其中心频率f0，品质因数Q，则当滤波电容C=0.1uF时（超过luF大电容使用不方便）,11由于f0=，所以可得知R的大小，而又因Q=，易得到A

11、VP,又知02兀RC3-AVPVP道AVP=1+Rf/R,且根据运放两输入端的电阻平衡性知2R=R/所以可得Rf和R。综上所述，光电转换与信号处理电路各部分已经介绍完毕，图8展示的是本模块在Protel99中的原理图。5运算放大电路参数分析本光电转换和信号处理模块设计中采用了多个运算放大器，运算放大器在工作时，由于自身或外界因素的影响必然会引入一定的噪声，甚至一些参数将影响到运放的工作范围和频率特性，所以在此有必要对运算放大器的参数进行分析。5.1运算放大器最高不失真频率计算对于一运算放大器，当输入一正弦波v二vsin（3t）时，则在理想情况下的输iin出应为v二vsin（3t），其中，3二2

12、nf，将输出v对时间求导可得，omodvmaxodto=3vCOS（3t），可知当cos（3t）=±1时，输出电压变化最剧烈，即dtm二3V，所以当3v<SR时通过运算放大器的波形不失真（SR为运mm算放大器参数），所以通过运放的最高不失真频率应为：f<-36。max2nvm5.2输入失调电压和失调电流的影响VVO图9运算放大器信号模型如图9所示，Vos表示输入失调电压，IB1，IB2分别为输入偏置电流（使输入端外接的电阻两端分别产生VB1,VB2的直流电压），此时运算放大器的输出电压为：RIRV=匸2工1(V-V+V)ORB1B2os15)RR因为V二-Rl，V二RI(

13、其中R二R/R二R1R2)，且运放的失调B1B1B23B212R+R12电流为I=I-1B1B2，所以：os光电转换及信号处理电路设计V二R1+R2(r-R)l土RI+V(6)OR3B13osos1又因为IB1比Ios要大的多，所以为了减小输出失调电压，应使R3二R二詐卜，此时:127)R+Rr1R+RV2LRI+V二RI+i2VOR3osos2osRos11然后可以再通过调节可变电阻RP1,即可以使输出失调电压为零。在实际电路中为了减小输入失调和偏置电流的影响，除了要满足RRR二R二外，还要满足输入、输出阻抗的限制；此外还有对于输入失调3R+R12电流的限制，即RI<£(&#

14、163;为由于使用目的，温度变化范围决定的因数)。2io另外由上述推倒过程可以看出，当R3=0时，输出电压为：R+RR+RRROS2B11V二R2R1(V-V+V)=R21(-RI+V)=(1+£)V-RI(8)osORVB1B2osRB111RR而当R二R=时，输出电压为:3R+R12+R17R2VosV二R1+R2rI+V1二RIOR3osos2osR11由此可以看出由于R3的引入而使输出电压产生的改变为U二R(I-1)，所以运放中反馈电阻R2的值越大，运放的输入失调电流与02OSB12偏置电流的差越大，电阻R3的作用也越大。一般第一级为晶体管的OP放大器在IB大于IOS的10倍时，或者对于第一级为FET的OP放大器在IB大于IOS的5倍时R3的效果比较明显39。对于运放OP07CP，它的输入偏置电流IB=+/-1.8nA，输入失调电流IOS=0.8nA，所以在电路中当反馈电阻R2不是太大时可以省去电阻R3,一方面减少成本，另一方面也增加了电路的可靠性。6运算