光电转换电路设计方案汇总（三款模拟电路设计原理图详解）

光电转换电路设计方案（一）

1、光电转换-前置放大电路的设计

光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。

光电二级管是怎样把光信号转换成电信号的呢？普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

光电二极管可以在2种模式下工作，一是零偏置的光伏模式；一是反偏置的光导模式，具体电路如图1所示。在光伏模式时，光电二极管可以非常精确地线性工作；而在光导模式时，光电二极管能够实现较高的切换速度，但要牺牲线性；同时，反偏置模式下的光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗电流，暗电流可能会引入输入噪声。因此选用光伏模式。

运算放大器（OperationalAmplifier，简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出的高增益电压放大器。在实际电路中，通常结合反馈网络和不同的反馈方式，共同组成某些功能和特性不同的模块，这些模块是各种电子电路中最基本的环节。可见运放在电子电路中的应用之广。

电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。

一般而言，A》=106，所以Rin≈0；即保证了光电二极管在光伏模式下的线性工作特性。通过反馈电阻将光电二极管与运算放大器相连接，将其产生的微弱电流通过较大的反馈电阻Rf形成压降，从而实现光通量的改变——光电流——电压的I/V前置放大转换。

光电二极管的选择依据：

图2中Isc为光电流;Rd为二极管内阻;Cd为二级管结电容;Ins为二级管的散粒噪声电流;Ind为二极管内阻的热噪声电流。光电二极管与后续的理想运放构成前置放大电路时，影响其性能参数的因素主要是以下几点：

（1）反馈电阻Rf;反馈电阻越大，输出电压越大，通常取几百千伏或几十兆伏，但反馈电阻的选择也存在上限，因为前置放大与后续处理电路相连时会受到输入电压匹配的限制，同时过大的反馈电阻会使电路产生自激震荡;

（2）设计合理的通频带;通过电容Cs与反馈电阻Rf的并联，构成低通滤波电路，其上限截止频率为1/2%：Cs:Rf。上限截止频率越小，信号输出信噪比越好;但较小的上限截止频率会使信号产生频率失真，具体使用时要根据实际情况调试而定;

（3）光电转换产生的光电流越大，前置放大得到的输出电压越大，因此要尽可能选用灵敏度高的二极管，同时提高光信号的照射功率以增大光电流;

（4）选用内阻较大，结电容较小的光电二极管，同时保证工作温度恒定，减小因环境温度升高而带来的额外的输入噪声。

2、主放大电路的设计

由于前置放大只是将微弱的光电流转换为电压信号，在进行实际处理时还要进一步放大，因此设计第二级主放大电路，通过阻容耦合与前置放大电路相连。

由仿真结果可以看出光电二极管产生的微安级的弱光电流经前置放大电路可输出毫伏级的电压，所以仍需通过主放大电路进行后续处理。主放大电路如图4所示;R1~R5电阻可实现电压放大倍数的多档可调，即所谓的灵敏度调节。

3、电路的优化设计

在实际光电测试系统中，还应对光电转换电路进行诸如降噪、滤波、去耦等优化处理，以实现较大的信噪比、信号稳定性以及高灵敏度等特点。具体的优化措施有以下几点：

（1）由于运算放大器是双电源器件，通过合理的选择偏置电阻使光电转换前置放大电路的输出电压达到合适的幅值（即设置适当的静态工作点），以获得最大的电压摆幅，避免饱和失真。如图6电路所示，电压输出设置于-4V左右，避免因强烈的环境光造成的饱和失真。

该放大电路经过仿真以后从波形中可以观察到输出电压被拉低到-4V左右，实现了合理设置静态工作点的目的;

（2）正负电压由运算放大器的4、7管脚引入，同时设置旁路电容构成滤波电路，消除电源纹波的干扰，降低输入噪声，提高信号信噪比;

（3）考虑到不同光电检测系统的使用环境，对于那些有强环境光干扰的测试场所，可以在电路设计之初就运用双光电二极管，使其中一个暴露于测试环境中并与前置放大器反接，达到消除杂散环境光干扰的作用;

（4）在电路的制板过程中还会因为器件排列、布线、线宽以及制作工艺等诸多因素引入噪声，对测试结果产生一定的影响;针对这些因素对PCB板的设计提出以下几点建议：

a.要求PCB出图时光电转换器件与前置运放间的信号线尽可能短;

b.VCC、GND等特殊网络的线宽要超过其他网络的线宽，推荐50mil左右;

c.如果电路比较复杂，还应设计专门的电源层与接地层;

d.布线时两条走线之间应保持一定间距，避免产生电容效应，且走线以水平方向与竖直方向为最佳;

e.敷铜设计时最好将电源与运放隔开，不要整板敷铜，避免噪声干扰;

（5）在电路板的使用过程中要采取一定的屏蔽措施，如添加金属外壳（避免空气中高频电磁波的干扰），或接地（消除噪声）等;

基于以上设计原则，设计光电转换放大电路并制板，以玩具气枪模拟真实弹丸验证该测试系统，搭建400mm&10m的有效靶面，分别从有效靶区范围内0、5、10m处在400mm光幕的上、中、下3个不同光强区域验证弹丸过靶信号;噪声稳定保持在100mV左右，而最弱区域有用信号达到2V上下，性能较为稳定，信噪比好，能够满足测试需求。

光电转换电路设计方案（二）

光电转换电路的形式

电二极管输出的是电流信号，而处理电路（如A／D）通常需要电压信号，因此在光电二极管的输出端通常使用运算放大器组成I—V（eurrent—to—voltage）转换电路，该电路的简化模型见图1。

光电二极管输出的电流直接在放大器的反馈电阻上形成压降，等于放大器输出端的输出电压，计算公式为

Vo=IscR（1）

根据电路的特点，可以给出运算放大器的选择标准：由于光电二极管输出电流通常比较低，因此运放的偏置电流应该尽量小，同时运放应该具有低输入电容和低失调电压温漂的特性。当然由于输出电压通常校小，为了降低噪声的干扰，还应该选择低噪声参数的运放。一般，FET型输入的运算放大器具有上述的特性。另外在选择运放时，还要注意的就是增益带宽需要满足信号频率的要求。

电路带宽和噪声分析

实际当中使用的电路形式通常如图2所示，C1光电二极管端电容和运放的输入电容之和，在反馈回路中补偿电容c2为了消除R2c1在传输函数中形成的零点而引入的，从而使整个电路工作在稳定状态。

C限制了信号带宽，当C变大时，相位裕量相应增加，但相应的信号带宽将下降。得到c的同时，也可以得到信号的低通截止频率，即允许的信号带宽。根据图2的电路图可以得到噪声计算模型，如图3所示。

设计实例

在实际工作中，需要检测血球高速流过670nm激光束时发生的散射信号，这个信号频率在300kHz~MHz之间。根据实际的光强和信号频率可以选择滨松公司的光电二极管$5821，其参数指标如表1所示。

根据信号带宽和光电二极管的暗电流指标，FET型输入的运算放大器可以选择AD公司的AD823，该运放的关键技术指标如下：

光电转换电路设计方案（三）

光电转换电源是一种基于光供能的、采用光纤传输的、输出电压值不受电网波动影响的稳压源。它是光传能技术中的关键部件，具有良好的抗电磁干扰、抗辐射干扰的性能，是一种安全、洁净的电能装置。

光电转换电源的主要应用是混合式光纤电流互感器的供电电源，我们将以混合式光纤电流互感器作为光电转换电源的负载来说明光电转换电源数字稳压控制系统的硬件实现方法。

系统总体结构

图1为光电转换电源的总体结构。控制室驱动半导体激光器发光，发出的光经耦合器耦合到多模光纤中，从而传输到测量现场；光能在现场通过光电转换器件转化为电能，供给有源器件。虽然在半导体激光器的驱动电路中已经加入了相应的稳压或稳流电路，但是光电转换电源主要应用于远端的电子器件。这样，在光由控制端传输到现场的过程中会有损耗，而光电转换器件的转换效率与环境温度等因素有关，光纤电流互感器的负载也会发生不规则变化，这些就会导致高压侧光电转换后的电压达不到系统正常工作的要求，从而影响系统的正常工作，甚至损坏器件。

图1　系统总体结构框图

我们可以采用反馈控制的思想来满足系统要求。根据控制论中有关反馈控制的理论可知，反馈控制系统由数据采集系统和数据处理系统组成。由于采集的是远离控制室的参量，因而应有一个通信系统可以使采集的量传回控制室，如采用光纤通信系统。

数据采集系统硬件设计

数据采集部分的主要任务就是采集高压侧（或远离控制室）的电量，经过滤波后传回控制室。这部分包括了微处理器和A/D转换器，而数字量的传输以光纤为主。综合考虑系统性能、工作环境及经济效益等因素，选取单片机89C2051为主控制器。系统中，数据采集部分的功耗是必须要考虑的，故采集部分的核心器件A/D转换器采用ADI公司的低成本、高分辨率A/D转换器AD7705。

AD7705在工作过程中容易出现端口迷失的现象，为确保它可以正常地工作，还加入了专用看门狗芯片X5045。

89C2051与AD7705的连接如图2所示。89C2051的RXD引脚和TXD引脚分别接AD7705的DIN脚和SCLK引脚，这样就可以采用单片机的串口工作方式0对A/D转换器的相应寄存器进行设置，并读取转换数据；89C2051的P1.3脚接AD7705的片选脚；89C2051的　P1.2脚接AD7705的复位引脚，从而保证了AD7705的可靠复位；另外AD7705主时钟采用外接晶振的方式，晶振频率为2MHz，可以在软件中对相应的寄存器进行设置，使其实际工作频率为外接晶振频率的二分频，即为1MHz；参考电压负端接地，正端接LM385-2.5的阴极。

图2　数据采集电路

数据处理系统硬件设计

数据处理部分是系统的重要组成部分，这一部分的主要作用是接收采集传输回来的数据，并根据适当的算法进行运算，最后将运算结果通过D/A转换器以控制激光器的输出光功率输出。D/A转换器采用了MAXIM公司的MAX542。系统原理框图如图3所示。

图3　数据处理系统原理简图

MAX542是16位串行输入、电压输出数模转换器。其输出非缓冲，因而只有0.3mA低供电电流和1LSB的低漂移误差；输出电压范围为0V到VREF（参考电压），可以接成单极性或双极性输出方式，具有更广泛的应用范围。

在数据处理板中，单片机功能为：驱动光收发合一模块接收采集板传回的数据；与计算机进行通信，以便在控制过程中改变相应PID运算参数的设定；控制D/A转换器将PID运算结果输出以控制激光器的输出光功率，达到稳压控制的目的。此处单片机选用了AT89C52。

单片机与MAX542的连接如图4所示。用单片机的P2.5脚与MAX542的LDAC引脚相连，这样通过控制单片机的相应管脚即可以准确刷新D/A转换输出锁存器；单片机的P2.7脚与MAX542的片选端CS相连，这样在系统要进行D/A转换时选通相应管脚即可，可以相应地降低系统功耗，也有利于减少误操作；参考电压仍由精密稳压管LM385-2.5提供2.5V的基准电压；在其输出端接电压跟随器，这样可以把模拟部分与数字部分进行隔离，减小系统干扰，同时增加系统的带负载能力。在系统中采用普通管脚来控制MAX542的工作，通过编程就能实现MAX542的工作时序，还可用单片机的串口与MAX542的相应管脚相连，就可以采用串口工作方式0来控制MAX542的转换。在本系统中，单片机的串口用来与计算机进行通信，这样就可以在不同的条件下对系统设定不同的参数来达到稳压控制的目的。在要求比较高的条件下，可以通过计算机来记录光电转换电源的工作情况。

图4　D/A转换电路

数据采集系统中的抗干扰措施

滤波方法是抑制干扰、保证测量精度的有效途径。在工业现场中，可利用硬件滤波器电路或软件滤波器算法提高测试数据的准确性。硬件滤波措施是使用较多的一种方法，但是会增加设备，又可能带来新的干扰源。而软件滤波算法不需增加硬件设备，可靠性高、功能多样、使用灵活，具有许多硬件滤波措施所不具备的优点。在数据采集部分选用的A/D 转换器件为AD7705，它内置了数字滤波器。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波器处理调制器的输出信号，通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。

AD7705内嵌了数字低通滤波器，可在A/D转换之后进行数字滤波，能消除A/D转换过程中产的噪声。此外，数字滤波器具有可编程性。依靠数字滤波器设计，用户可以编程截断频率和输出更新频率。此外，因为内部带有数字滤波器，AD7705具有抑制干扰功能。50Hz的工频干扰在第一陷波位置已衰减100dB，这样就有效地抑制了工频干扰。另外，本系统采集数据时，以10个数据作为一组，再用平均值滤波法对这10个数据进行平均，用此平均值作为该时刻的采样值，这样就有效地去除了数据随机误差。而且，光电转换电源输出端电压的变化是缓慢的，因而以10次采样值的平均值作为该时刻的值进行处理能够满足系统要求，实验证明这种方法是可行的。