光电转换电路设计将光信号变成电信号。这个技术很有用。生活中常见的光电设备都用这个技术。太阳能电池是一个例子。光敏电阻也是一个例子。很多工业控制需要光电转换。自动门用到光电转换。烟雾报警器也用到光电转换。设计一个好的电路很重要。电路性能要好。电路要稳定。电路成本不能太高。这篇内容讨论光电转换电路的设计过程。

光电转换的基本原理是光电效应。光照射到材料上。材料吸收光子。材料里的电子获得能量。电子从材料里跑出来。这样产生电信号。光强越大电信号越强。不同材料对光响应不同。硅材料常用在光电转换中。硅材料便宜。硅材料效果好。设计电路先要选光电元件。光电二极管常用。光电三极管也常用。光敏电阻简单但速度慢。光电二极管速度快。光电二极管线性度好。光电二极管适合精密测量。光电三极管增益大。光电三极管适合弱光环境。根据需求选择元件。

电路设计第一步是确定需求。需要测量什么光信号。光信号是连续变化还是脉冲信号。光信号的强度范围是多少。光信号的速度快不快。环境光有没有干扰。电路输出需要什么信号。电压信号还是电流信号。信号需要放大多少倍。电源电压是多少。电路功耗有没有限制。电路尺寸有没有要求。这些问题都要想清楚。明确需求才能开始设计。

光电元件需要偏置电路。光电二极管一般加反向电压。反向电压让二极管工作在光导模式。这样响应速度快。没有光照时电流很小。有光照时电流变大。电流变化和光强成正比。反向电压不能太大。太大会击穿二极管。反向电压通常几伏到几十伏。光电三极管需要基极开路。光照射到基区产生电流。这个电流被三极管放大。三极管输出更大电流。光电三极管自己提供增益。但线性度不如光电二极管。

转换电路需要将电流变成电压。最简单用电阻负载。光电二极管串联一个电阻。电流流过电阻产生电压。光强越大电压越高。这个电路简单。但这个电路有问题。二极管结电容影响速度。电阻值大则电压变化大。但大电阻降低响应速度。需要平衡灵敏度和速度。实际常用跨阻放大器。跨阻放大器效果好。跨阻放大器用运算放大器。二极管接到运放反相输入端。运放同相输入端接地。反馈电阻连接输出端和反相输入端。光照产生电流流过反馈电阻。输出电压等于电流乘电阻值。这个电路噪声低。这个电路带宽高。这个电路线性度好。

跨阻放大器设计考虑几个参数。反馈电阻值决定增益。电阻大增益高。但电阻大带来噪声。电阻大也限制带宽。需要计算合适电阻值。运放选择很重要。运放输入偏置电流要小。光电二极管电流很小。运放偏置电流会带来误差。选择场效应管输入的运放。运放输入电容要小。输入电容影响稳定性。运放增益带宽积要足够。电路需要稳定工作。有时加补偿电容。补偿电容防止振荡。补偿电容影响带宽。需要仔细计算。

环境光会产生干扰。太阳光很强。室内灯光也有影响。干扰光会产生错误信号。需要消除干扰。方法有很多。加光学滤光片。滤光片只透过特定波长的光。例如只透过红外光。很多光电系统用红外光。这样可以避免可见光干扰。调制解调方法也好。用特定频率调制光源。电路只解调这个频率的信号。环境光是直流或不同频率。这样能有效抑制干扰。差分电路也能抗干扰。用两个相同光电元件。一个接收信号光。一个接收环境光。两个输出相减。这样消除共模干扰。

电路需要供电。电池供电要注意功耗。运放选择低功耗型号。电阻值可以取大一些。减少电流消耗。交流供电则简单一些。但要注意电源噪声。电源噪声会进入信号。加去耦电容很重要。电源脚接电容到地。电容滤除高频噪声。有时用线性稳压器。线性稳压器噪声小。开关电源噪声大。但开关电源效率高。根据情况选择。

电路布局布线很重要。光电元件靠近运放。减少导线长度。导线长会引入噪声。导线会接收电磁干扰。信号路径要短。模拟地和数字地分开。光电信号很微弱。数字电路噪声很大。地线混合会污染信号。电源走线要粗。减少压降。敏感信号用屏蔽线。电路板加屏蔽罩。外部电磁干扰影响电路工作。

设计完成后需要测试。测试需要标准光源。光源强度要已知。改变光源强度。测量电路输出电压。看输出电压和光强是不是成正比。测量电路灵敏度。测量电路线性范围。测量电路响应时间。用脉冲光照射。看电路输出上升时间。测量电路噪声。遮盖光电元件。测量输出噪声电压。计算信噪比。测试不同温度。温度影响光电元件。温度影响运放。看电路温度稳定性。测试电源电压变化。电压波动时电路输出是否稳定。

实际应用可能遇到问题。电路可能振荡。输出出现高频振荡。检查补偿电容。可能电容值不对。可能布局不合理。反馈路径太长引起振荡。信号可能有失真。大信号时输出饱和。检查运放输出范围。光太强时电流太大。反馈电阻上电压可能超过电源电压。需要减小反馈电阻。或者降低光源强度。电路可能受干扰。附近有电机启动时输出跳变。加强电源滤波。加强信号屏蔽。

光电转换电路可以改进。自动增益控制有用。光强变化范围大时。固定增益可能饱和或太小。自动增益改变反馈电阻值。用模拟开关切换不同电阻。或者用数字电位器。微处理器控制增益。这样扩大测量范围。温度补偿也很重要。光电元件灵敏度随温度变化。热敏电阻测量温度。电路修正温度误差。数字处理提高性能。模数转换器采集电压。数字滤波器处理信号。数字滤波器消除噪声。数字系统灵活。

光电转换电路用途广泛。光纤通信需要光电转换。光纤传送光信号。接收端变成电信号。转换电路速度要很快。带宽达到吉赫兹。设计使用高速光电二极管。高速运放难度大。常用跨阻放大器加射频设计方法。医疗仪器也用光电转换。脉搏血氧仪测量血液。发光二极管照射手指。光电二极管接收透射光。电路测量光强变化。变化对应脉搏和血氧。电路要求精度高。噪声必须很低。工业测量常用光电转换。测量物体位置。测量物体颜色。测量物体透明度。电路需要可靠。工厂环境恶劣。电路要抗干扰。电路要耐用。

太阳能电池是特殊的光电转换。太阳能电池将太阳光变成电能。太阳能电池输出功率大。但电压电流随光照变化。需要功率管理电路。最大功率点跟踪电路。提高能量收集效率。这个电路和信号测量电路不同。功率电路考虑效率。信号电路考虑精度。

光电转换电路设计是一个细致工作。需要理解光电元件特性。需要掌握模拟电路知识。需要考虑实际应用环境。设计过程反复调整。计算参数。选择元件。绘制电路图。制作电路板。测试性能。解决问题。最终得到可靠电路。这个电路完成光信号到电信号的转换。为后续处理提供基础。光电技术不断发展。新材料出现。新器件出现。电路设计方法也在进步。学习光电转换电路设计很有意义。