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 HR I fif -+ （1）式中f 为信号频率，f H =1112R 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1112R 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 >>4212R 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：fOUT1S13R V V R =-（2） 当仅考虑同相输入端时，其输出电压为：3f 1OUT2S2123R 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 OUT1OUT2S2S1S2S112333R 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。

4 低通滤波电路设计-+Av 0v 1C 1=cC 2=cRRR 1R f图7 二阶低通滤波电路设计本设计选择压控型二阶低通滤波器如图7所示，根据实际测量需要取得其中心频率f 0，品质因数Q ，则当滤波电容C=0.1uF 时（超过1uF 大电容使用不方便），由于f 0=12RCπ，所以可得知R 的大小，而又因Q=13VP A -，易得到A VP ，又知道A VP =1+R f /R 1，且根据运放两输入端的电阻平衡性知2R=R f // R 1，所以可得Rf和R 1。

综上所述，光电转换与信号处理电路各部分已经介绍完毕，图8展示的是本模块在Protel 99中的原理图。

图8 光电转换与信号处理电路protel 99原理图设计5运算放大电路参数分析本光电转换和信号处理模块设计中采用了多个运算放大器，运算放大器在工作时，由于自身或外界因素的影响必然会引入一定的噪声，甚至一些参数将影响到运放的工作范围和频率特性，所以在此有必要对运算放大器的参数进行分析。

5.1 运算放大器最高不失真频率计算对于一运算放大器，当输入一正弦波i in v v sin(ωt)=时，则在理想情况下的输出应为o m v v sin(ωt)=，其中，ω2πf =，将输出o v 对时间求导可得，om dv ωv cos(ωt)dt=，可知当cos(ωt)1=±时，输出电压变化最剧烈，即om dv maxωv dt=，所以当m ωv SR ≤时通过运算放大器的波形不失真（SR 为运算放大器参数），所以通过运放的最高不失真频率应为：max mSR f 2πv ≤[36]。

5.2 输入失调电压和失调电流的影响V O图9 运算放大器信号模型如图9所示，V os 表示输入失调电压，I B1，I B2分别为输入偏置电流（使输入端外接的电阻两端分别产生V B1，V B2的直流电压），此时运算放大器的输出电压为：21O B1B2os 1R R V (V V V )R +=-+ （5） 因为B1B1V RI =-，B23B2V R I =（其中121212R R R R //R R R ==+），且运放的失调电流为os B1B2I I I =- ，所以：()12O 3B13os os 1R R V R R I R I V R +⎡⎤=-±+⎣⎦ （6） 又因为I B1比 I os 要大的多，所以为了减小输出失调电压，应使12312R R R R R R ==+，此时：[]1212O 3os os 2osos 11R R R R V R I V R I V R R ++=+=+ （7） 然后可以再通过调节可变电阻RP1，即可以使输出失调电压为零。

在实际电路中为了减小输入失调和偏置电流的影响，除了要满足12312R R R R R R ==+外，还要满足输入、输出阻抗的限制；此外还有对于输入失调电流的限制，即2io R I ε<（ε为由于使用目的，温度变化范围决定的因数）。

另外由上述推倒过程可以看出，当R 3=0时，输出电压为：21212O B1B2os B1os OS 2B1111R R R R RV (V V V )(RI V )(1)V R I R R R ++=-+=-+=+- （8） 而当12312R R R R R R ==+时，输出电压为：[]1212O 3os os 2os os 11R R R RV R I V R I V R R ++=+=+ （9） 由此可以看出由于R 3的引入而使输出电压产生的改变为02OS B1ΔU R (I I )=-，所以运放中反馈电阻R 2的值越大，运放的输入失调电流与偏置电流的差越大，电阻R 3的作用也越大。

一般第一级为晶体管的OP 放大器在I B 大于I OS 的10倍时，或者对于第一级为FET 的OP 放大器在I B 大于I OS 的5倍时R 3的效果比较明显[39]。