由运放构成的光信号IV转换电路设计

由运放构成的光信号IV转换电路

一、光信号传感器

光电池是一种将光信号转化为电信号的器件，在光照下会产生电动势; 光电二极管也是将光的能量转化为电能，两者主要区别有：制作工艺不同、响应速度不同、灵敏度不同、工作方式不同，其中光电池可以工作在零偏状态下，光电二极管工作在反偏状态下。

光电二极管又分为:PIN光电二极管、雪崩光电二极管(APD)。

光信号传感器应用广泛，包括：通信、交通、航天、医疗、工业等领域。

二、原理及分析

原理图如下图所示：

2.1 器件功能介绍

D1表示光信号传感器，不同的传感器对照入的光敏感性不同，可以根据器件的光谱响应曲线中查到对不同波长的敏感度。 在相同波长下，光强越强，进入电路中的电流越大。

R2是IV变换比的电阻，假设R2=1KΩ，表示有1mA的电流输入，则在运放输出端会得到1V的信号，则IV变换比为：1000：1。

C1的引入作为是改变电路频率特性，降低高频噪声。 一般光信号传感器都会有结电容的存在，当信号频率过高时，结电容和反馈电阻会有发生振荡的可能，所以C1在这里也会起到相位补偿的作用。

运放是此电路的主要器件，根据虚短、虚断特性，当D1中的电流发生变化时，PIN2的电势不受影响，相当于接到虚地，这样D1的电流全部流过R2，可以可靠的将电流转化为电压。

2.2 频率因素

此电路的频率响应是重要的设计参数之一，所以重点提出几点注意事项。

1) 运放带宽的影响

对小信号来说，运放的带宽是决定处理信号频率范围最主要的参数，带宽越宽，高频特性越好，能处理信号的频率越高。

2) 运放压摆率的影响

压摆率也称为转换速率，是运放在闭环情况下，一个大信号从运放输入端输入，从运放输出端测得信号的上升速率，体现的是运放对信号变化速度的反映能力，在大信号输入时，要关注这一参数，便于评估对速度的要求。

3) 光信号传感器结电容的影响

一般情况，感光面积越大，结电容也会越大; 为减小结电容多数情况都需要加一个反向偏压，结电容与反向偏压是反比的曲线关系。 在较高速率要求的光信号传感器，光敏面积很小。 例如，APD的制作工艺感光面积极小，再加上较大的偏压，信号频率可以高达1G，常应用于光通信行业。

4) 电容C1的取值影响

在上一章已有对C1的介绍，取值上除了要考虑抵消光传感器结电容的相位补偿，还要综合R2的值，计算频率带宽。 实际设计中，根据噪声情况，可以把此处的带宽适当的放宽一些。 而在后端的处理电路中，根据信号情况，再把带宽收紧。

2.3 频率变化波形图示

如果IV变换比为1000，由于上述4条因素的作用，并不是对所有的频率信号IV变换比都是1000，当信号频率增大到一定程度时，IV变换比会下降。 以高斯波形驱动发光管，照射光电二极管为例，经同一种电路IV变换后，几种不同频率下的输出波形如下：