光電二極管原理及前置放大器電路

在用于光檢測(cè)的固態(tài)檢波器中，光電二極管仍然是基本選擇。光電二極管廣泛用于光通信和醫(yī)療診斷。其他應(yīng)用包括色彩測(cè)量、信息處理、條形碼、相機(jī)曝光控制、電子束邊緣檢測(cè)、傳真、激光準(zhǔn)直、飛機(jī)著陸輔助和導(dǎo)彈制導(dǎo)。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)優(yōu)化用于光電模式或光敏模式的光電二極管。響應(yīng)度是檢波器輸出與檢波器輸入的比率， 是光電二極管的關(guān)鍵參數(shù)。 其單位為 A/W 或 V/W。

前置放大器在高背景噪聲環(huán)境中提取傳感器生成的小信號(hào)。 光電導(dǎo)體的前置放大器有兩類：電壓模式和跨導(dǎo)(圖 2)。

圖 3c 所示的跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的精密線性傳感性能是通過(guò)“零偏壓”光電二極管實(shí)現(xiàn)的。在此配置中，光電二極管發(fā)現(xiàn)輸出間存在短路，按照公式 3 (Isc =Ilight)，基本上不存在“暗”電流。

光電二極管暴露在光線下且使用圖 2c 的電路時(shí)，電流將流到運(yùn)算放大器的反相節(jié)點(diǎn)，如圖 3 所示。若負(fù)載(RL)為 0 Ω且 VOUT = 0 V，則理論上光電二極管會(huì)出現(xiàn)短路。實(shí)際上，這兩種狀況都絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)。RL 等于 Rf/Aopen_loop_Gain，而 VOUT 是放大器反饋配置施加 的虛擬地。

圖 4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。

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4所示。

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4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。

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。

該軟件環(huán)境提供了光電二極管的 LabVIEW跨導(dǎo)模型，允許根據(jù)設(shè)計(jì)示例中使用的具體光電二極管進(jìn)行定制(圖 5a)。必須先運(yùn)行仿真，再構(gòu)建任何板卡。由于噪聲增益路徑(圖 5b)中引入了零點(diǎn)，所以可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定。MultiSim 仿真說(shuō)明了噪聲增益路徑中引入零點(diǎn)造成的不 穩(wěn)定(圖 5b)。改變反饋電阻上的電容會(huì)影響可用的帶寬(圖 5c)。

如上文所述，必須在反饋電阻上放置 2 pF 電容來(lái)引入一個(gè)極點(diǎn)，從而取消此零點(diǎn)。 2 pF 反饋電容是理論值。 可以分析不同值對(duì)設(shè)計(jì)電路可用帶寬的影響(圖 5c)。還可以通過(guò)監(jiān)控輸出來(lái)校驗(yàn)電路帶寬，其-3 dB 帶寬為 1 kHz。

編輯點(diǎn)評(píng)：本文介紹分析了光電二極管的原理及信號(hào)調(diào)理電路圖，光電二極管產(chǎn)生一個(gè)與照明度成比例的微弱電流。而前置放大器將光電二極管傳感器的電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用的電壓信號(hào)。可用于CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測(cè)器、位置傳感器、紅外高溫計(jì)和色譜分析儀等系統(tǒng)中。