高速光電二極管信號(hào)調(diào)理電子電路圖

圖1所示電路是一個(gè)高速光電二極管信號(hào)調(diào)理電路，具有暗電流補(bǔ)償功能。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換來(lái)自高速硅PIN光電二極管的電流，并驅(qū)動(dòng)20 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。該器件組合可提供400 nm至1050 nm的頻譜敏感度和49 nA的光電流敏感度、91 dB的動(dòng)態(tài)范圍以及2 MHz的帶寬。信號(hào)調(diào)理電路采用±5 V電源供電，功耗僅為40 mA,適合便攜式高速、高分辨率光強(qiáng)度應(yīng)用，如脈搏血氧儀。

圖1. 具有暗電流補(bǔ)償功能的光電二極管前置放大器系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

本電路還適合其它應(yīng)用，如模擬光隔離器。它還能滿足需要更高帶寬和更低分辨率的應(yīng)用，如自適應(yīng)速度控制系統(tǒng)。

本電路筆記討論圖1中所示電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，以滿足特定帶寬應(yīng)用的要求，這些步驟包括：穩(wěn)定性計(jì)算、噪聲分析和器件選擇考慮因素。

光電二極管屬于高阻抗傳感器，用于檢測(cè)光的強(qiáng)度。它沒(méi)有內(nèi)部增益，但相比其它光檢測(cè)器，可在更高的光級(jí)度下工作。

光電二極管工作時(shí)采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光導(dǎo))模式。光伏模式可獲得最精確的線性運(yùn)算，而讓二極管工作在光導(dǎo)模式可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度，但代價(jià)是降低線性度。在反向偏置條件下，存在少量的電流(稱為暗電流)，它們甚至在沒(méi)有光照度的情況下也會(huì)流動(dòng)?？稍谶\(yùn)算放大器的同相輸入端使用第二個(gè)同類光電二極管消除暗電流誤差，如圖1所示。

有三個(gè)因素影響光電二極管的響應(yīng)時(shí)間：

處于光電二極管耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時(shí)間

處于光電二極管未耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時(shí)間

二極管電路組合的RC時(shí)間常數(shù)

由于結(jié)電容取決于光電二極管的擴(kuò)散區(qū)以及施加的反向偏置，采用擴(kuò)散區(qū)較小的光電二極管并施加較大的反向偏置即可獲得更快的上升時(shí)間。在 CN-0272電路筆記中，采用 SFH 2701 PIN光電二極管，其結(jié)電容典型值為3 pF,0 V偏置下的最大值為5 pF.1 V反向偏置時(shí)的典型電容為2 pF,5 V 反向偏置時(shí)為1.7 pF.本電路的測(cè)量均在5 V反向偏置下進(jìn)行。