光电二极管原理及前置放大器电路解析

　　在用于光检测的固态检波器中，光电二极管仍然是基本选择。光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。

　　设计过程中，经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。响应度是检波器输出与检波器输入的比率， 是光电二极管的关键参数。 其单位为 A/W 或 V/W。

　　前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。 光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导（图 2）。

　　图 3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过"零偏压"光电二极管实现的。在此配置中，光电二极管发现输出间存在短路，按照公式 3 （Isc =Ilight），基本上不存在"暗"电流。

　　光电二极管暴露在光线下且使用图 2c 的电路时，电流将流到运算放大器的反相节点，如图 3 所示。若负载（RL）为 0 Ω且 VOUT = 0 V，则理论上光电二极管会出现短路。实际上，这两种状况都绝对不会出现。RL 等于 Rf/Aopen_loop_Gain，而 VOUT 是放大器反馈配置施加 的虚拟地。

　　图 4所示电路是一个高速光电二极管信 号调理电路，具有暗电流补偿功能。系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器（ADC）的输入。该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。

　　光电二极管工作时采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光导）模式。光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。在反向偏置条件下，存在少量的电流（称为暗电流），它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图4所示。

图4. 具有暗电流补偿功能的光电二极管前置放大器系统（原理示意图：未显示所有连接和去耦）

　　本电路还适合其它应用，如模拟光隔离器。它还能满足需要更高带宽和更低分辨率的应用，如自适应速度控制系统。

　　本电路笔记讨论图4中所示电路的优化设计步骤，以满足特定带宽应用的要求，这些步骤包括：稳定性计算、噪声分析和器件选择考虑因素。

　　光电二极管属于高阻抗传感器，用于检测光的强度。它没有内部增益，但相比其它光检测器，可在更高的光级度下工作。

　　有三个因素影响光电二极管的响应时间：

　　处于光电二极管耗尽区域内载波的充电采集时间

　　处于光电二极管未耗尽区域内载波的充电采集时间

　　二极管电路组合的RC时间常数

　　由于结电容取决于光电二极管的扩散区以及施加的反向偏置，采用扩散区较小的光电 二极管并施加较大的反向偏置即可获得更快的上升时间。在 CN-0272电路笔记中，采用 SFH 2701 PIN光电二极管，其结电容典型值为3 pF，0 V偏置下的最大值为5 pF.1 V反向偏置时的典型电容为2 pF，5 V 反向偏置时为1.7 pF.本电路的测量均在5 V反向偏置下进行。

图5  光电二极管电路的噪声电路分析

　　该软件环境提供了光电二极管的 LabVIEW跨导模型，允许根据设计示例中使用的具体光电二极管进行定制（图 5a）。必须先运行仿真，再构建任何板卡。由于噪声增益路径（图 5b）中引入了零点，所以可能会出现不稳定。MulTISim 仿真说明了噪声增益路径中引入零点造成的不 稳定（图 5b）。改变反馈电阻上的电容会影响可用的带宽（图 5c）。

　　如上文所述，必须在反馈电阻上放置 2 pF 电容来引入一个极点，从而取消此零点。 2 pF 反馈电容是理论值。 可以分析不同值对设计电路可用带宽的影响（图 5c）。还可以通过监控输出来校验电路带宽，其−3 dB 带宽为 1 kHz。

　　编辑点评：本文介绍分析了光电二极管的原理及信号调理电路图，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。
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