光电转换及信号处理电路设计

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。

光电转换及信号处理模块

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。

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I d，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I d，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。

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，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350nm~1100nm，峰值波长850nm，适合白光测量；

（2）暗电流I R≤5nA；

（3）光谱灵敏度（Sλ）：0.55 A/W；

（4）光敏面接收半角（Half angle）：±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：

图3 BPX65光敏二极管频谱响应曲线[32]

S5973具有高响应频率，高可靠性，暗电流小，高灵敏度等特点，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320nm~1000nm，峰值波长760nm，；

（2）响应频率：1GHz（S5973），截止频率1.5GHz；

（3）暗电流I R≤0.1nA；

（4）光谱灵敏度（Sλ）：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：

图4 S597x系列光敏二极管频谱响应曲线[33]

由此可见BPX65 PIN光敏二极管更适合做低速光信号测量，而滨松公司生产的S5973 PIN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1 BPX65和S5973关键参数对比

2 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：

V O =11I H

R I f

i

f -

+ （1）

式中f 为信号频率，f H =

11

1

2R C π，R 1为反馈电阻，可知在直流或者低频范围

内，即f 《

f h 时，其变换系数为反馈电阻R 1，所以V O = -R 1*T I ，其中T I 为光电流，而当信号频率逐渐提高时，旁路电容C 1的作用也就开始体现出来了，也即当信号频率f >

1112R C π时，信号增益逐渐减小，称11

1

2R C π为转折频率，同时可见旁

路电容有C 1减小高频噪声的作用[34]。

图5 光电转换和前置放大电路设计

由A 1和A 2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R 3，R 4，C 2构成基本反馈电路基础上的附加内反馈，在直流和信号

频率比较低的情况下，该附加内反馈由C 2断开，此时整个前置放大器的开环增益是两个放大器的开环增益之积A 1*A 2。而在交流信号的频率f >>

42

1

2R C π的情

况下，整个前置放大器的开环增益变成为A 1*R 4/R 3，通过合理设置R 4/R 3的比值，使A 1*R 4/ R 3〈〈A 1，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 >> f 0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R 2可以补偿因R 1过大而引入的误差，一般情况下取R 2=R 1，电容C P 可以用来消除R 2上面的杂散噪声[35]。 3 差分放大电路设计

V OUT

图6 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，当仅考虑反相输入端时，其输出电压为：

f

OUT1S13

R V V R =-

（2） 当仅考虑同相输入端时，其输出电压为：

3f 1

OUT2S2123

R R R V V R R R +=

⨯+ （3）

所以当R 3=R 2，R 1=R f 时，总输出电压为公式（4-4）所示：

3f 1f f OUT OUT1OUT2S2S1S2S112333

R R R R R V V V V V (V V )R R R R R +=+=

⨯-=-+ （4）

即运算放大器实现了对两个输入电压差的放大。