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一种光电二极管IV转换模块设计与实现 杨梅 刘学军 张纬蓉 彭云聪摘要：文章旨在设计并实现一种mA级的光输入电流转换为0～5V电流/电压（IV）转换电路，并将误差控制在5%以内设计采用电路驱动光电管完成电流到电压信号的转换，采用前置放大电路、差分放大电路和滤波电路的设计完成电压信号的放大、滤波处理经实验测量不同频率下，输出信号各项参数符合要求，在工程实践中可以作为一种性能良好的IV转换电路加以应用关键词：电流转电压;光电管;滤波本文设计一种基于光电二极管的电流电压转换及电压放大的电路首先完成光信号转换为电信号，其次考虑到电信号电流较为微弱，采用设计合理放大电路，实现4～20mA的输入电流信号转化为0～5V的输出电压信号的电流/电压（I/V）转换电路一、系统总体设计与分析（一）总体设计思路根据电路系统性能指标要求，选用LF353和OPA277放大器设计实现一个mA级电流转换成0-5V的输出直流电压的转换器电路，同时保证5%以内的误差要求二）I/V转换原理系统电路设计如图所示，图1中为了避免产生误差给电阻R2和R3并联一个47pF级的电容C3OPA277是双电源工作，管脚7和4为正负电源，每个引脚需要两个0.1uF电容器（C2，C5）进行高频滤波，以避免干扰等因素。

所述的两个旁路电容C4和C6，C4是减小带宽，C6是减少电路中的1/f噪声，如图2所示三）差分放大电路差分放大电路，能够抑制共模信号，原理图采用T型网络结构由于信息反馈电阻可以扩展（1+R3/R2）倍，即可减少热噪音问题和运放输入偏执电流的影响电路设计采用OPA277放大器，转换关系不受负载影响，但芯片限值影响输入电压R2、R3形成闭合回路，当光通过二极管照进端子时，提取背景噪声环境里产生的前置放大器的小信号将输入电流转化为电压输出，根据运放的虚短路，虚断路，输入电流，流经滑动变阻器R4并形成输出信号Vout根据图3所示，将电压通过LF353放大器进行前置放大若要加大管理模塊放大倍数的输出，只需要增益R15和R16的值二、采集放大器（一）OPA277放大器将OPA277放大器作为U1，可以保证更宽的输入电压摆动二）LF353放大器LF353作为放大前置电信号的放大器，成本较低，速率较快输入运算放大器有一个内部调整的输入偏置电压（双场效应管技术）三）光电二极管本实验用到的光电二极管，是一个半导体器件，是单向导电的原理为当光线照射到端子上时，将光能转换为电能光线越弱，反向电流越小，反之越大。

四）噪声处理根据图4所示，Ra，Ca为光电二极管Ini，Cni相关特性，噪声谱密度为Cnor2=4KTRf，K=1.38J/K从图中可知： Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2噪声密度为：I2no=2qi;噪声电流为：I2=2qI△f;输出噪音为：E2noi=2qi△fRf2;（五）降噪如图5所示，随着频率变化，U2变成了衰减器低频时，放大器减低了误差;中频时，衰减模式获得增;高频时，C1短路，Ucl=-R1/R2，高频衰减六）根据以上分析，设计以下系统电路图（如图6所示）三、电路系统的应用及检测不同频率下IV转换变化情况：1. 在1Hz频率时，如图7所示2. 在1KHz频率时，如图8所示3. 在10KHz频率时，如图9所示4. 在100KHz频率时，如图10所示四、结语本设计使用常见集成运算放大器、成本低，器件容易获得基于光电管完成光电转换，采用前置放大电路、差分放大电路和滤波电路完成电压信号的放大、滤波处理实现一种mA级的光输入电流转换为0～5V电压的功能，误差不超过5%经实验测量不同频率下，输出信号各项参数符合要求，在工程实践中可以作为一种性能良好的IV转换电路加以应用。

参考文献：[1]江文学，曾学文，施建华.光电技术[M].北京：科学出版社，2009.[2]占建明，汶德胜.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].集成电路设计与应用，2011（04）：304-306.[3]王之江.光学设计理论基础[M].北京：科学出版社2002.[4]徐建生，李雅琴.集成运算放大器的噪声模型和精确测量[D].吉林：长春工业大学，1998.（作者单位：西安交通工程学院中兴通信学院） -全文完-。