光电转换及信号处理电路设计
光电二极管及其放大电路设计
光电二极管及其放大电路设计引言：光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。
光电二极管通过光电效应实现光信号的转换，而放大电路则能够对光电二极管输出的微弱信号进行放大，提高信号的可靠性和稳定性。
本文将介绍光电二极管的基本原理和构造，并探讨光电二极管放大电路的设计。
一、光电二极管的基本原理光电二极管是一种基于光电效应工作的半导体器件，它的工作原理与普通二极管类似。
当光照射到光电二极管的PN结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，产生电流。
这种光电效应使得光电二极管能够将光信号转换为电信号。
二、光电二极管的构造光电二极管由PN结和外部电路组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，形成了一个具有电势垒的界面。
当光照射到PN 结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，形成电流。
外部电路则用于接收和处理光电二极管输出的电信号。
三、光电二极管的放大电路设计为了提高光电二极管输出信号的可靠性和稳定性，常常需要设计放大电路对其进行放大。
光电二极管放大电路主要包括前端放大电路和后端放大电路。
1. 前端放大电路前端放大电路主要用于对光电二极管输出的微弱电信号进行放大和滤波，以提高信号的强度和稳定性。
常用的前端放大电路有共基极放大电路、共射极放大电路和共集电极放大电路等。
这些放大电路能够将光电二极管输出的微弱信号放大到适合后续处理的幅度。
2. 后端放大电路后端放大电路主要用于进一步放大前端放大电路输出的信号，并进行滤波和调理，使得信号能够更好地适应后续电路的要求。
常用的后端放大电路有差动放大电路、共模放大电路和运放放大电路等。
这些放大电路能够进一步放大信号，并对其进行滤波、放大和调理，以满足特定的应用需求。
四、光电二极管及其放大电路的应用光电二极管及其放大电路广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。
在光电转换领域，光电二极管可用于测量光强、光功率、光谱等参数。
光电报警器电路设计
光电报警器电路设计光电报警器是一种利用光电传感器来检测光线变化并产生报警信号的电子设备。
它常用于安防系统、火灾报警系统等场合。
在设计光电报警器电路时，主要需要考虑光电传感器的选择、信号放大、信号处理、报警触发等方面。
下面将详细介绍光电报警器电路的设计过程。
首先，选择合适的光电传感器。
常用的光电传感器有光敏电阻和光电二极管等。
光敏电阻是一种利用光照强度变化而改变电阻值的元件，灵敏度较低，需要进行信号放大处理。
而光电二极管则是一种能够将光信号转化成电流输出的器件，灵敏度较高。
根据实际需求选择合适的光电传感器。
其次，进行信号放大。
信号放大是为了增强光电传感器输出的弱电信号，提高其稳定性和可靠性。
常用的放大电路有运算放大器差分放大电路和晶体管放大电路等。
其中，运算放大器差分放大电路采用运算放大器作为放大元件，通过调整反馈电阻和输入电阻的比例关系，将光电传感器输出的电压信号进行放大。
然后，进行信号处理。
信号处理是为了对光电传感器输出的电信号进行处理和转换，从而得到满足实际需求的信号。
常用的信号处理电路有滤波电路、计数电路和比较电路等。
滤波电路可以滤除噪声信号，提高信号的清晰度和准确性。
计数电路可以对信号进行计数，判断光照强度的变化情况。
比较电路可以将光电传感器输出的信号与设定的阈值进行比较，进而产生触发电平。
最后，进行报警触发。
报警触发是通过光电传感器输出的信号判断是否触发报警，并产生相应的报警信号。
根据需要选择合适的报警触发电路，常见的触发电路有继电器触发电路和集成报警电路等。
继电器触发电路通过继电器对电流进行控制，实现报警信号的切换。
集成报警电路则是利用集成电路的功能实现报警信号的产生和输出。
在光电报警器电路设计中还需要考虑电源电路和保护电路等。
电源电路是为了为光电传感器和其他电路提供稳定可靠的电源供电。
保护电路是为了保护光电传感器和其他电路不受过电压、过电流等问题的影响，提高系统的稳定性和可靠性。
总结起来，光电报警器电路设计需要考虑光电传感器的选择、信号放大、信号处理、报警触发、电源电路和保护电路等方面。
光电检测电路与信号处理
3.如何确定检测电路带宽？
td
T
td－脉冲宽度
S
(t
)
Am，
0，
td 2
t t
td 2
T 2
S(t) b0 bn cos n2πf0t
n1
bn
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Am
sin nπf0td nπf0td
脉冲波信号的带宽分析
3.如何确定检测电路带宽？
td
T
td－脉冲宽度
脉冲重复频率f0 = 200kHz，脉宽td=0.5μs
F
En2i En2s
En2s
En2
I
2 n
Rs2
En2s
1
En2 En2s
I
2 n
Rs2
En2s
1
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I
2 n
Rs
4kTRsf 4kTf
3. 最佳源电阻
F 1
En2
I
2 n
Rs
4kTRsf 4kTf
Fmin＝1
En I n 2kTf
10.2.1前置放大器的噪声
F 0 Rs
Rs
Rsopt＝
En In
课程主要内容四大部分：
理论基础
光电信号 变换与处理
光辐射源 光电探测器
光电系统 分析设计
光电信号变换与处理
1
2
测距 计时
器
主波
光学信号变换
3
电学信号变换
放大、滤波、 比较
回波
5
4
D
光－电信号变换
激光脉冲测距原理示意图
光电信号 变换与处理
➢光学信号变换
教材第八章
➢光－电信号变换
光电转换器的设计与优化
光电转换器的设计与优化光电转换器在我们的现代生活中可是有着相当重要的地位呢！从我们日常使用的手机、电脑，到各种精密的科学仪器，都离不开它在背后默默工作。
我还记得有一次，我在一个电子设备维修店里，看到师傅正在修理一台出故障的网络设备。
他拿着工具，对着里面的光电转换器左瞧瞧右看看，嘴里还念叨着：“这小家伙要是不好好工作，整个网络都得瘫痪咯！”这让我深刻地意识到，光电转换器虽然个头不大，但作用却是巨大的。
那到底什么是光电转换器呢？简单来说，它就是负责在光信号和电信号之间进行转换的“小能手”。
比如说，我们通过光纤传输的数据是光信号，但是我们的电脑、手机这些设备能处理的却是电信号，这时候就需要光电转换器出马啦。
在设计光电转换器的时候，有好多关键的地方需要我们去好好琢磨。
首先就是它的核心部件，比如光电二极管和激光二极管。
光电二极管就像是一个特别敏感的“小眼睛”，能够精准地捕捉到光信号并把它变成电信号。
而激光二极管呢，则能够把电信号高效地转变成光信号发射出去。
这两个小家伙的性能直接决定了光电转换器的工作效率和质量。
然后就是电路设计啦。
这就像是给光电转换器搭建一个舒适的“家”，要让各种电子元件能够和谐共处，互不干扰。
比如说，电源管理电路得保证稳定的供电，信号放大电路要能把微弱的信号放大到合适的程度。
还有封装技术也不能忽视。
一个好的封装不仅能保护里面的敏感元件不受外界干扰，还能有助于散热，让光电转换器在工作的时候不会因为过热而“闹脾气”。
在优化光电转换器的性能方面，那也是有不少讲究的。
比如说，提高转换的速度和精度，让光信号和电信号之间的转换又快又准，减少误差。
这就像是在一场接力比赛中，每个选手都要以最快的速度、最准的姿势把接力棒传递给下一个人，不能有丝毫的耽搁和失误。
为了达到这个目标，我们可以优化核心部件的材料和结构。
就像给运动员穿上更轻便、更舒适的运动装备，让他们能够发挥出更好的水平。
同时，改进电路的设计，减少信号的损耗和干扰，就像给赛道清理掉所有的障碍物，让运动员能够畅通无阻地奔跑。
电路中的光电技术利用光电效应实现光信号的处理
电路中的光电技术利用光电效应实现光信号的处理在电路中，光电技术通过利用光电效应来实现光信号的处理。
光电效应是指材料受到光的照射后，产生电子的释放或振动，从而产生电流或电压的现象。
光电效应的应用十分广泛，尤其在光通信领域中起着重要作用。
光通信是利用光信号传输信息的一种通信方式，其优点在于传输速度快、带宽大、抗干扰性强。
在光通信系统中，光电技术扮演着关键的角色。
首先，光电二极管是一种常见的光电器件，它能够将光信号转换为电信号。
光电二极管的结构由P型半导体和N型半导体组成。
当光照射到光电二极管上时，光电二极管内的载流子会被激发，从而产生电流。
这一电流可以被电路接收和处理，实现光信号的转换和解码。
其次，光电二极管还可以通过正向偏置和反向偏置来实现不同的功能。
在正向偏置的情况下，光电二极管处于导通状态，可以将光信号转换为电信号。
而在反向偏置的情况下，光电二极管处于截止状态，可以起到光探测的作用。
通过这种方式，光电二极管可以在光通信系统中实现光信号的接收和发送。
除了光电二极管，光电效应还可以应用于其他光电器件，例如光电场效应晶体管（Phototransistor）和光电光电二极管（Photodiode）。
光电场效应晶体管是一种可以放大光信号的器件，它在光电二极管的基础上加入了场效应晶体管的结构。
光电场效应晶体管可以将光信号放大，提高光通信系统的灵敏度和传输距离。
光电光电二极管是一种能够同时接收和发送光信号的器件。
在光通信系统中，使用光电光电二极管可以实现双向的光信号传输，提高数据传输的效率和速度。
除了光通信领域，光电技术还广泛应用于光电能转换、光电显示、光电测量等领域。
例如，太阳能电池板就是一种利用光电效应来将太阳能转化为电能的装置。
光电显示器也是利用光电效应来实现图像显示的技术。
光电测量技术则可以通过测量样品对光的吸收和散射来获取材料的特性和参数。
总之，电路中的光电技术利用光电效应实现了光信号的处理。
光电器件如光电二极管、光电场效应晶体管和光电光电二极管在光通信系统中发挥着重要作用，在其他领域也有广泛应用。
光电转换电路
光电转换电路
当弹丸穿过光幕靶时，光电二极管感应变化的光通
量而产生变化的光电流，经过光电转换电路把光电流转换成电压信号，再经过后续放大电路的处理提取出有效过靶信号。
图9为光电转换电路，C，C为滤波电容R为偏置电阻，R 为取样电阻，C提供交流耦合，IN端为放大电路提供输入信号。
光电转换电路
放大电路
经光电转换后获取的电信号比较微弱，需要对其进行进一步的放大、滤波处理，从而提取出有效的过靶电信号。
本设计使用2片AD823运算放大器顺序级联，组成3级放大电路以及一个电压跟随器电
路，总放大倍数在1000倍左右。
AD823是双通道运算放大器，具有输入失调电压低、压摆率大、带宽范围大等特点，满足信号放大电路的使用要求。
图10为第一级放大电路图，图11为第二级放大电路图，图12为第三级放大电路图。
图10第一级放大电路图、
其中图12中第三级放大电路输出端直接与一个电压跟随器相连，然后经过一个无源低通滤波器后输出信号。
第一级为前置放大电路，具有低噪声、低输出阻抗、信号带宽大的
特点，对信号进行低噪声前置放大处理，为减少引入噪声干扰采用5倍放大，第二级、第三
级分别采用10倍、20倍放大；对微弱信号进行放大的过程中，同时使用有源滤波和无源滤波，组成了带通滤波器，在对信号进行放大的同时进行滤波处理。
图经过信号处理的过靶信号波形图。
图中弹丸目标过靶信号明显，完全满足速度测试要求。
图11第二级放大电路图
图12第三级放大电路图
图13过靶信号波形图。
光电设备中的自动控制系统设计与实现
光电设备中的自动控制系统设计与实现自动控制系统是指通过感知环境的信号，采集相关数据并进行处理，最终通过控制执行机构，实现设备的自主运行和调节。
在光电设备中，自动控制系统起着至关重要的作用。
本文将着重探讨光电设备中自动控制系统的设计与实现。
一、光电设备的自动控制需求光电设备包括光电传感器、光电二极管、光敏电阻等，这些设备主要用于光电转换和检测。
在实际应用中，光电设备往往需要根据外部环境的变化，自动调节其工作状态以保证其性能和可靠性。
例如，对于光电传感器来说，当光照强度不断增大时，传感器的输出电压应该随之增大，以保证其灵敏度和稳定性。
而对于光电二极管或光敏电阻来说，当光照条件发生变化时，需要根据传感器输出的信号，通过自动控制系统调节执行机构的工作状态，实现设备的自动调节。
二、自动控制系统的基本原理在光电设备中，自动控制系统的设计与实现需要遵循以下基本原理：1.感知环境信号：通过光电设备中的传感器，感知和采集外部环境的光照强度或其他相关信号。
2.信号处理与分析：将传感器采集到的信号进行处理和分析，得到与环境变化相关的信息。
3.控制决策：根据信号处理与分析的结果，进行控制决策，确定执行机构的工作状态。
4.执行机构控制：根据控制决策结果，通过驱动电路或其他方法，控制执行机构的运动状态或工作参数。
三、自动控制系统的设计与实现步骤1.需求分析：根据实际应用需求，明确自动控制系统的功能和性能要求，包括感知环境信号的类型和范围、控制精度等。
2.传感器选择与布置：根据需求分析，选择适合的光电传感器，并合理布置在光电设备中的合适位置，以获得准确的环境信号。
3.信号处理与分析电路设计：根据传感器输出的信号特点，设计合适的信号处理电路，将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并进行滤波、放大等处理，以便后续的控制决策。
4.控制算法设计：根据信号处理与分析的结果，设计合适的控制算法，用于控制决策，确定执行机构的工作状态。
可以采用PID控制算法等经典控制算法或者根据实际情况设计特定的控制策略。
高频光电探测器的信号处理电路设计
电路 中 ． Ｉ ２ｎ。 取 ． Ａ Ｂ的噪声带宽实际取 １ Ｍ ｚ可算得散弹 噪 ６ ． Ｈ。 ０ 电阻 ． 使得该放大器既有较低 的噪声 ． 又有较 大的带 宽和动态范 围。 声 的电流方 均根为 ０２７ Ａ． 内阻 Ｒ １０ Ｑ． 可得 相应 的散弹 噪 ．８ｎ 取 ＝ ０ｋ 则 １３ 差动放大 电路 ＿ 为 ２８ １ ．７ｘ ． Ｖ。 系统 测量时 ．对 于指示光栅和 主光栅尺相对 移动产生 的莫 尔条 声 电压方 均根 ｖ 根据 误差理论 可知 ． 噪声分 量应 按照方 和根进行叠加 ． 以总 的 所 纹 ． 用 四个光 电探测器分别 置于莫尔 条纹每 相隔 １ 周 期处 ． 选 ， ４ 因此 可测得 ４ 相位依次相差 ９ ｏ 路 ０的正余 弦信号 ，ｌｓ 、ＣＳ一ｉ、ｃｓ 输 出噪声 电压有效值为 ： ￣＋ｉ ＋Ｏ、ｓ 一ｏ。 ｎ ｎ
图 １ 差 分 放 大 电 路
１ 光 电 转 换 电 路 设计
２ 电路的噪声分析
１ 光电探测器 ． １ 电子线路 中常见 的固有噪声有热 噪声 、低频噪声 和散弹噪声 三 硅光电二极管的典型结构有两种 ． 是采用 Ｎ型单晶硅和扩 散 一种 种 。 工艺 的 Ｐｎ ． ＋ 结 另一 种是采用 Ｐ型单 晶和磷扩 散工艺 的 Ｎ 结 。 光敏 热噪声是 一种 白噪声 ．由导体 中的点 和载流子 的热激震动所 引 芯区外侧 的 ｎ环区称 为保护环 ． ＋ 其作用是切 断表面层漏 电流 ． 使暗 电 起。 电子的运动与温度有关 ， 任何处于绝对零度以上的导体 ， 都有电子 流明显减小 在 Ｐ 。 区和 ｎ 区之间加入一本征层（ 层 ） Ｉ 就形成 ＰＮ光 电 Ｉ 的随机运动 ， 这些运动产 生的方均值 电压不 为零 ， 的方均根 电压 的 它 二极管 ． 其载流子扩 散时间和节 电容都得到 明显的减小 ． 光电二极管 公式为 ： 的频率响应特性 得到很 大的改善 ＰＮ光 电二极管本征层 的引入加大 Ｉ Ｕ（＝ ／ ｋ Ｒ 、４Ｔ Ｂ １ ） 了耗尽层区的厚度 ． 并形成强 电场 区 由于入射 光子只能在本征层 内 其 中， 是 波尔兹曼常量 ； ｋ Ｔ为导体 的绝对温 度 ； Ｂ为测 量系统 的 被吸收 ． 光生载流子在强 电场作 用下加速运动 至 Ｎ层 ． 因此载流子渡 Ｒ为导体 的电阻或阻抗实部。 越 时间非常短 。 同时 ． 耗尽层 的加宽使结 电容 明显减 小 ． 提高 了响应速 噪声带宽 ； 电路 中， 取 室温为 ２ ０ ， Ｔ ９ Ｋ Ｂ的噪声带宽实际取 １ ＭＨ ． 于 Ｒ ． ｚ对 ０ ＝ 度 ｌ 相 比于普 通 的 Ｐ ＂ ２ １ ． Ｎ结光 电二极 管具有更 好的频率 响应特性 和更 ｌＯ ￣ 的输入 电阻． Ｏｋ 可算 得 １ ０ ￣的 电阻在噪声带 宽为 １ Ｍ ｚ ０ｋ ． Ｈ 时产 ０ 高灵 敏度 ， 因此更加适合用在 高速 的微弱光信号检测系统 中。 此外 ， 光 生的热 噪声电压值为 ４ ｔ ０Ｖ ｚ 电探测器的光敏面尺 寸也与转换速 率相关 ． 光敏 面尺寸越小 ． 转换速 低 频噪声 又称为 １ 噪声 ． ／ ｆ 在晶体管的制造过程 中． 表面腐蚀 以及 率 越大 ． 因此欲得到 高频 率响应特 性的光 电转换 电路 ． 还需尽 量选择 其 他清洁不完 善都会对 低频 噪声产生很大影 响 由于本 电路 为高频工 光敏 面尺寸小 的光 电探测器 作 电路 ， 因此 ｆ 的值为兆级 ， 本电路 的低频 噪声可 以忽 略不计 。 因此 １２ 前置放大 电路 ＿ 散 弹噪声是 由于二极管 、 晶体管 中载 流子非 连续运动产生 的脉 冲 由于光 电探测器输 出的电流信号非常微弱 ．前置放大电路需要 电流而形 成 ． 电流的方均根 的公式 为 ：
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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]。