楊梅 劉學(xué)軍 張緯蓉 彭云聰

摘要：文章旨在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種mA級(jí)的光輸入電流轉(zhuǎn)換為0～5V電流/電壓（IV）轉(zhuǎn)換電路，并將誤差控制在5%以內(nèi)。設(shè)計(jì)采用電路驅(qū)動(dòng)光電管完成電流到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，采用前置放大電路、差分放大電路和濾波電路的設(shè)計(jì)完成電壓信號(hào)的放大、濾波處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同頻率下，輸出信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)符合要求，在工程實(shí)踐中可以作為一種性能良好的IV轉(zhuǎn)換電路加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電流轉(zhuǎn)電壓;光電管;濾波

本文設(shè)計(jì)一種基于光電二極管的電流電壓轉(zhuǎn)換及電壓放大的電路。首先完成光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其次考慮到電信號(hào)電流較為微弱，采用設(shè)計(jì)合理放大電路，實(shí)現(xiàn)4～20mA的輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5V的輸出電壓信號(hào)的電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換電路。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與分析

（一）總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)電路系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，選用LF353和OPA277放大器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)mA級(jí)電流轉(zhuǎn)換成0-5V的輸出直流電壓的轉(zhuǎn)換器電路，同時(shí)保證5%以內(nèi)的誤差要求。

（二）I/V轉(zhuǎn)換原理

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖所示，圖1中為了避免產(chǎn)生誤差給電阻R2和R3并聯(lián)一個(gè)47pF級(jí)的電容C3。

OPA277是雙電源工作，管腳7和4為正負(fù)電源，每個(gè)引腳需要兩個(gè)0.1uF電容器（C2，C5）進(jìn)行高頻濾波，以避免干擾等因素。所述的兩個(gè)旁路電容C4和C6，C4是減小帶寬，C6是減少電路中的1/f噪聲，如圖2所示。

（三）差分放大電路

差分放大電路，能夠抑制共模信號(hào)，原理圖采用T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于信息反饋電阻可以擴(kuò)展（1+R3/R2）倍，即可減少熱噪音問(wèn)題和運(yùn)放輸入偏執(zhí)電流的影響。電路設(shè)計(jì)采用OPA277放大器，轉(zhuǎn)換關(guān)系不受負(fù)載影響，但芯片限值影響輸入電壓。R2、R3形成閉合回路，當(dāng)光通過(guò)二極管照進(jìn)端子時(shí)，提取背景噪聲環(huán)境里產(chǎn)生的前置放大器的小信號(hào)。將輸入電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出，根據(jù)運(yùn)放的虛短路，虛斷路，輸入電流，流經(jīng)滑動(dòng)變阻器R4并形成輸出信號(hào)Vout。根據(jù)圖3所示，將電壓通過(guò)LF353放大器進(jìn)行前置放大。若要加大管理模塊放大倍數(shù)的輸出，只需要增益R15和R16的值。

二、采集放大器

（一）OPA277放大器

將OPA277放大器作為U1，可以保證更寬的輸入電壓擺動(dòng)。

（二）LF353放大器

LF353作為放大前置電信號(hào)的放大器，成本較低，速率較快。輸入運(yùn)算放大器有一個(gè)內(nèi)部調(diào)整的輸入偏置電壓（雙場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)）。

（三）光電二極管

本實(shí)驗(yàn)用到的光電二極管，是一個(gè)半導(dǎo)體器件，是單向?qū)щ姷?。原理為?dāng)光線照射到端子上時(shí)，將光能轉(zhuǎn)換為電能。光線越弱，反向電流越小，反之越大。

（四）噪聲處理

根據(jù)圖4所示，Ra，Ca為光電二極管。Ini，Cni相關(guān)特性，噪聲譜密度為Cnor2=4KTRf，K=1.38J/K。

從圖中可知： Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

噪聲密度為：I2no=2qi;

噪聲電流為：I2=2qI△f;

輸出噪音為：E2noi=2qi△fRf2;

（五）降噪

如圖5所示，隨著頻率變化，U2變成了衰減器。低頻時(shí)，放大器減低了誤差;中頻時(shí)，衰減模式獲得增;高頻時(shí)，C1短路，Ucl=-R1/R2，高頻衰減。

（六）根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)以下系統(tǒng)電路圖（如圖6所示）

三、電路系統(tǒng)的應(yīng)用及檢測(cè)

不同頻率下IV轉(zhuǎn)換變化情況：

1. 在1Hz頻率時(shí)，如圖7所示。

2. 在1KHz頻率時(shí)，如圖8所示。

3. 在10KHz頻率時(shí)，如圖9所示。

4. 在100KHz頻率時(shí)，如圖10所示。

四、結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)使用常見(jiàn)集成運(yùn)算放大器、成本低，器件容易獲得?；诠怆姽芡瓿晒怆娹D(zhuǎn)換，采用前置放大電路、差分放大電路和濾波電路完成電壓信號(hào)的放大、濾波處理。實(shí)現(xiàn)一種mA級(jí)的光輸入電流轉(zhuǎn)換為0～5V電壓的功能，誤差不超過(guò)5%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同頻率下，輸出信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)符合要求，在工程實(shí)踐中可以作為一種性能良好的IV轉(zhuǎn)換電路加以應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]江文學(xué)，曾學(xué)文，施建華.光電技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]占建明，汶德勝.基于光電二極管的前置放大電路噪聲分析[J].集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2011（04）：304-306.

[3]王之江.光學(xué)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社2002.

[4]徐建生，李雅琴.集成運(yùn)算放大器的噪聲模型和精確測(cè)量[D].吉林：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，1998.

（作者單位：西安交通工程學(xué)院中興通信學(xué)院）