光电二极管检测电路的工作原理及设计方案

光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领

域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于

CT 扫描仪、血液分析

仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极
管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号
转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻
易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进
一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。

　　本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路

工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个

SPICE 模拟程序，它会很形象地说明

电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是
制作实验模拟板。

　　

1 光检测电路的基本组成和工作原理

　　设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个

CMOS

输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图

1 中。

　　在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光

使之产生的电流

ISC 从负极流至正极，如图中所示。由于 CMOS 放大器反相输入端的输入

阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻

RF。输出电压会随着电阻 RF 两端的压降而

变化。

　　图中的放大系统将电流转换为电压，即

　　

VOUT = ISC ×RF （1）

　　

　　图

1 单电源光电二

极管检测电路

　 　 式 （

1 ） 中 ，

VOUT 是运算放大器输出端
的电压，单位为

V;ISC 是光

电二极管产生的电流，单位
为

A;RF 是放大器电路中的反馈电阻，单位为 W 。图 1 中的 CRF 是电阻 RF 的寄生电容和电