光电传感器信号调理电路的增益设计与噪声处理

在光电传感器（光电二极管/光电晶体管）应用中，微弱光电流（nA~µA级）需经跨阻放大器（TIA）转换为电压，再进行二级增益与滤波。增益设计不当会导致信噪比（SNR）不足或输出饱和；噪声处理不好则微弱信号被淹没。本文以 PIN光电二极管 + 运放（OPA381 / AD8605） 为例，说明增益级设计要点与噪声抑制方法。

一、跨阻放大器（TIA）增益设计

1.1 反馈电阻 Rf 决定灵敏度

// 输出 Vout = -Iphoto × Rf

// 例：Iphoto=10µA, Rf=100kΩ → Vout=1V

// 若需 1V/µA → Rf=1MΩ

• Rf 越大，灵敏度越高，但输出噪声也越大（热噪声 ∝ √Rf）

• 典型范围：100kΩ ~ 10MΩ（对应 µA ~ nA 级光电流）

1.2 反馈电容 Cf 防振荡

• 光电二极管结电容 Cj（通常 10~50pF）与 Rf 构成极点，易振荡

• 并联 Cf 引入零点补偿：

 • Cf ≈ √(Cj / (2π × GBW × Rf))（经验估算）

 • 典型值：1~10pF（NPO/C0G材质）

二、二级增益与滤波

TIA输出后通常接同相放大器做二级增益，并加入低通滤波抑制高频噪声：

// 二级增益 Av = 1 + R2/R1

// 低通截止频率 fc = 1/(2π × R2 × C2)

2.1 设计示例（总增益≈100dB）

// TIA级：Rf=1MΩ, Cf=5pF → 灵敏度 1V/µA

// 二级：R1=1kΩ, R2=100kΩ → Av=101

// 滤波：C2=1nF → fc≈1.6kHz（适合慢变光信号）

// 总输出：10µA × 1MΩ × 101 ≈ 1.01V

2.2 多级滤波策略

• 第一级（TIA后）：截止频率设为信号带宽×3

• 第二级（二级放大后）：进一步限制噪声带宽

• 若需工频（50/60Hz）陷波，加双T带阻滤波器

三、噪声来源与抑制

3.1 主要噪声源

噪声类型 来源 抑制方法

热噪声 Rf 电阻 减小 Rf（牺牲增益）；降温

散粒噪声 光电二极管暗电流 选低暗电流二极管（≤1nA）

1/f 噪声 运放 选低1/f噪声运放（如OPA381）

电源噪声 供电纹波 加LDO + LC滤波

环境光干扰 50/100Hz 灯光 加光学滤光片或调制解调

3.2 实测噪声优化步骤

1. 遮光测输出噪声（Vrms）

2. 逐级短路输入端，定位噪声源级

3. 若TIA输出噪声大 → 减小Rf或增大Cf（牺牲带宽）

4. 若二级输出噪声大 → 降低截止频率或换低噪运放

四、PCB布局要点

• Rf 和 Cf 尽可能靠近运放输入引脚（防寄生电容引入振荡）

• 光电二极管阳极直接接运放反相端，走线≤5mm

• 运放正相端接保护环（Guard Ring）：同电位铜环包围输入走线，减少漏电流

• 反馈路径下方铺GND铜，但挖空Rf/Cf下方（减少寄生电容）

五、常见问题与对策

现象 原因 对策

输出振荡（高频啸叫） Cf 太小或布局寄生电容大 增大 Cf（2pF→10pF）；缩短反馈路径

输出漂移（慢变） 运放偏置电流流入Rf 选偏置电流≤1pA的运放（如AD8605）

工频干扰明显 未加屏蔽或滤波 加金属屏蔽罩；加50Hz陷波器

弱光下输出噪声大 Rf 热噪声主导 减小Rf+增加二级增益；冷却

六、结语

光电传感器信号调理的核心是TIA级（Rf决定灵敏度+Cf防振荡）+ 二级放大（Av决定总增益+低通滤波）。增益设计时需在灵敏度与噪声间取舍；噪声处理需从热噪声、散粒噪声、电源噪声和环境光干扰多维度入手。按此框架设计，可在 nA~µA 光电流范围内获得干净的电压输出。