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)過前置放大、主放大等后續(xù)電路進(jìn)一步優(yōu)化有用信號， 最后實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)與相應(yīng)算法的連接。 由此可見， 任何光電檢測系統(tǒng)中， 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與優(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檢測系統(tǒng)的設(shè)計成敗。
1 光電轉(zhuǎn)換- 前置放大電路的設(shè)計
光電二極管在受到光照時， 會產(chǎn)生一個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， 光電二極管可以非常精確地線性工作； 而在光導(dǎo)模式時， 光電二極管能夠?qū)崿F(xiàn)較高的切換速度， 但要犧牲線性； 同時， 反偏置模式下的光電二極管即使在無光照條件下也會產(chǎn)生一個極小的暗電流， 暗電流可能會引入輸入噪聲。 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性工作特性。 通過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 為二級管結(jié)電容； I ns 為二級管的散粒噪聲電流； 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， 影響其性能參數(shù)的因素主要是以下幾點(diǎn)：
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