构建一个适用于各种应用的光电探测器并不一定很复杂。在本文中，我们将剖析一个通用的设计实例，它灵活、实用，能够轻松应对你项目的任何挑战，无论是在实验室还是在各种现场。
首先需要注意的是，这篇小文章讨论的是光电二极管，而不是光电晶体管。光电二极管是一种基于光电效应工作的有源元件。当反向偏置时，它会产生与入射光强度成正比的光电流。
如下图所示，典型的光电探测器会集成光电二极管和跨阻放大器(TIA)。光电二极管首先将光转换为电流，然后跨阻放大器将其转换为电压。简而言之，由光电二极管本身产生电流输出，而光电探测器则提供电压输出。跨阻放大器还可以放大信号，从而提高灵敏度。
图1：典型的光电探测器集成了光电二极管和跨阻放大器。来源：作者
这是精密光电二极管应用中最常用的配置。该电路虽然概念上很简单，但工作在光伏模式下，运算放大器会使光电二极管两端电压保持为零。
当光照射到光电二极管的有源区时，电流从阴极流向阳极。理想情况下，整个光电流都会流过反馈电阻(跨阻增益电阻)，产生一个与光电二极管电流(Id)和反馈电阻(Rf)乘积成比例的输出电压。
请记住，即使在没有光照的情况下，光电二极管也会产生微小的漏电流，被称为暗电流。该暗电流会随着反向偏压的增加而增大，制造商通常会在规定的反向电压下标注出其规格。
图2：该片段重点介绍了硅PIN光电二极管的基本特性。来源：Vishay
在下一个电路中，光电二极管工作于光电导模式，其阴极施加偏置电压。运算放大器输入端之间的虚拟短路使阳极保持接地电位，从而在光电二极管两端建立恒定的反向偏置。在许多应用中，为了增强稳定性，会在反馈电阻(RF)两端添加反馈电容或补偿电容(CF)。然后，RF和CF并联组合形成低通滤波器(LPF)。
图3：光电二极管工作于光电导模式，并在其阴极施加偏置电压。来源：作者
既然我们已经大致了解了理论基础，让我们换个角度，看看实践方面。但在转向实践之前，让我们先简单回顾一下讨论过的要点。
光电二极管的作用是将入射光转换成与光强度成正比的电流。由于这种光电流本身很弱，通常需要放大，这时TIA就派上了用场。该放大器电路由一个带有反馈电阻的运算放大器构成，将微弱的电流转换成可感知的电压信号。输出电压由欧姆定律决定，增益可以通过调节反馈电阻的值来调整。
实用设计要点
光电二极管可以在不同的配置下工作，具体取决于其在电路中的偏置方式或连接方式，尤其是与运算放大器配合使用时。当光电二极管在没有任何外部偏置的情况下使用时，它会进入光伏模式，这种设置可以显著降低暗电流和电子噪声。
然而，缺乏偏置也会增加结电容，尤其是与运算放大器的输入电容叠加时，这会减慢整体响应速度。另一方面，光电导模式(涉及光电二极管的反向偏置)对入射光具有最快、最显著的响应，非常适合对速度和精度要求高的应用。
图4：通用单电源光电探测器的蓝图。来源：作者
该基础方案采用JFET或CMOS输入运算放大器(IC1)作为跨阻放大器(TIA)，将接地光电二极管(PD1)的光敏电流转换为可测量的电压。此处，光电二极管的工作原理是：光照会导致反向电流通过光电二极管，并导致每个输入电流的输出电压线性增加。
由于这是单电源配置，因此在运算放大器的同相输入端(TP1)施加了一个较小的偏置电压，以防止输出饱和。德州仪器(TI)等厂商提供的设计指南中蕴含大量专业见解，可帮助设计工程师完善整体方案。
下面是经过验证的复杂光电探测器原理图，它使用普通LED作为光传感器，并与LM3915配合使用以驱动LED条形显示屏。
图5：光电探测器使用普通LED作为光传感器。来源：作者
使用一个5毫米的透明红色LED(LED1)作为光传感器，电阻R2的阻值根据经验确定。令人惊讶的是，LED可以作为一个简易的光传感器，在正向和反向偏置下都能工作(欢迎反馈)。
补充说明一下，LED发出的光的波长取决于构成pn结的半导体材料的禁带能量；禁带越大，发出的波长越短。对于红光LED，典型的禁带电压(或光电压)约为2V。
责编：Ricardo
2025-09-11
2025-09-11
2025-09-11
