光传感器可用于很多重要领域,从消费电子产品中的环境光测量与相机曝光控制,到光谱吸收分光计、热成像IR(红外)探测仪以及双色高温探测仪等科学仪器。例如,在光学分光应用中,在确定材料与设备特性时,关键是对探测光束强度的正确测量。必须消除DC或极低频率背光所导致的任何影响。另外,为了增加SNR(信噪比),可以采用窄带、相位敏感或锁定探测技术,对探测光源进行机械式斩波或调制。

在本设计实例中,来自光斩波器的参考信号以方波频率fCHOP调制基于运放的反相放大器的增益(图1)。该放大器的输入是与一只光电二极管所产生的光电流信号成正比的电压,该光电二极管由一个与斩波器频率相同的调制光束照射。在这种情况下,由于增益与输入有相同的频率成分,在放大器的输出端呈现出DC成分(用一个低通滤波器就可以很容易检测出来)。
运算放大器A1A与A1B将光致电流转换为一个仅包含AC成分的电压。可以根据自己希望探测的光强水平,改变R1的值。忽略A1A的输入电容时,C1的值主要依赖于输入光电二极管的末端电容,在选择容值时必须保证跨导电路的稳定性(参考文献1)。
系统的核心是一个包含光敏电阻RPR的运算放大器A1
C,它代表了决定该级增益的反馈元件。RPR的阻值依赖于D1发射的光。A2B是一个电压/电流转换器,用于驱动D1。转换器有一个固定电压VB,并在A2A和A3间产生ΔV。A2A决定了RPR的DC值,此时A2B与ΔRPR以参考信号的相同频率作变化。A3施密特触发器将参考信号的所有TTL/CMOS电平转换为一个衰减±0.5V的平衡±4.6V方波,产生一个大约1.8 mA峰峰值的LED电流变化。对于光敏电阻RPR和LED元件,一只Silonex CdS(硫镉)NSL-19M51电池与一只红色LED匹配,并放在一个黑盒子内,以保证光耦合器不受背景光线的影响。
在电路校准时,首先断开或遮挡住输入光电二极管,使A1A不转换任何AC信号。然后,将S1切换到“测量”位置,并调节RT2使针对输出电压的任何电压偏移归零。当A1B缓冲器产生约300 mV的测试电压,并且S1位于校准位置时,调整RT1修正0V的输出电压。在这种情况下,VB电压可以设定RPR/RC=RA/RB条件。
参考文献:
1. Wang, Tony, and Barry Erhman, “Compensate Transimpedance Amplifiers Intuitively,” Application Report SBOA055A, Texas Instruments, 1993.