光电二极管实现精密光学测量分析

光电二极管是很多光学测量中最常用的传感器类型之一。诸如吸收和发射光谱、色彩测量、浑浊度、气体探测等应用均有赖于光电二极管实现精密光学测量。

光电二极管产生与照射到活动区的光量成比例的电流。大多数测量应用都需要用到跨阻放大器，以便将光电二极管电流转换为输出电压。图1显示电路的原理示意图。

图1. 简单跨阻放大器电路

该电路的光电二极管在光伏模式下工作，其中运算放大器保持光电二极管上的电压为0 V。这是精密应用中最常见的配置。光电二极管的电压与电流关系曲线十分类似于常规二极管，但前者的整条曲线会随着光照水平的变化而向上或向下平移。图2a显示典型的光电二极管传递函数。图2b是传递函数放大后的图形，表明哪怕在没有光的情况下，光电二极管也会输出少量电流。这种暗电流会随着光电二极管上的反向电压增加而上升。大部分制造商在反向电压为10 mV的前提下给出光电二极管的暗电流。

图2. 典型光电二极管传递函数

光照射到光电二极管的活动区后，电流从阴极流向阳极。理想情况下，所有的光电二极管电流都流经图1中的反馈电阻，产生数值等于光电二极管电流乘以反馈电阻的反馈电压。该电路在原理上很简单，但若要系统具备最佳性能则必须解决一些难题。

第一个难题是选择直流规格匹配应用要求的运算放大器。对大部分应用来说，低输入失调电压是最重要的规格。放大器输出端存在输入失调电压，该失调电压会增加系统总误差；而在光电二极管放大器中，它还会产生其他误差。光电二极管上存在输入失调电压，产生更多暗电流，进一步增加系统失调误差。通过软件校准、交流耦合——或者两者兼用——消除初始直流失调，但较大的失调误差会缩小系统动态范围。幸运的是，输入失调电压在几百mV甚至几十mV的范围内，有大量的运算放大器可供选择。

第二重要的直流规格是运算放大器的输入漏电流。电流进入运算放大器输入端，或者进入反馈电阻以外的任何地方，都会产生测量误差。具有零输入偏置电流的运算放大器是不存在的，但某些CMOS或JFET输入运算放大器非常接近这个数值。例如，在室温下，AD8615的最大输入偏置电流为1 pA。AD549最大输入偏置电流为60 fA，该数值得到保证并经过生产测试。FET输入放大器的输入偏置电流随温度升高而呈指数上升。很多运算放大器提供85°C或125°C下的规格；但如果未提供，则一种较好的近似是温度每升高十度，电流就翻倍。

另一个难题是设计电路并进行布局，从而最大程度降低外部漏电流路径——漏电流会影响低输入偏置电流运算放大器性能。最常用的外部漏电流路径是印刷电路板本身。例如，图3显示图1中光电二极管放大器的一种可行布局。粉红色的走线表示+5 V供电轨，为放大器供电并将电能输送至电路板的其余部分。如果在+5 V走线以及搭载光电二极管电流的走线之间电阻等于5 G(图3中以RL表示)，那么1 nA电流将从+5 V走线流入放大器。显然，这与应用中仔细选择1 pA运算放大器的目标相违背。最大程度缩短外部漏电流路径的一种方法是增加搭载光电二极管电流的走线与任何其他走线之间的电阻。这可能如同在走线周围加入一个较大的路由禁区以便增加与其他走线之间距离那样方便。在某些极端应用中，有的工程师会一并取消PCB走线，将光电二极管引线暴露在空气中并与运算放大器输入端引脚直接相连。

图3. 带漏电流路径的光电二极管布局

防止外部漏电流的另一种方法是在搭载光电二极管电流的走线旁布局一个保护走线，并确保两条走线均驱动至相同的电压。图4显示搭载光电二极管电流的网络周围的保护走线。+5 V走线产生的漏电流随后通过RL流入保护走线，而非流入放大器。在该电路中，保护走线和输入走线之间的压差仅与运算放大器的输入失调电压有关——这就是为什么要选用低输入失调电压放大器的又一个原因。

图4. 使用保护走线降低外部漏电流

虽然大部分精密光电二极管应用的工作速率较低，但我们依然需要保证针对该应用，系统具有足够的交流性能。这里，两个最大的问题是信号带宽(或闭环带宽)和噪声带宽。

闭环带宽取决于放大器的开环带宽、增益电阻和总输入电容。光电二极管输入电容范围可从数pF(高速光电二极管)到几千pF(面积极大的精密光电二极管)。然而，在运算放大器的输入端加入电容会使它变得不稳定，除非在反馈电阻上添加电容进行补偿。反馈电容限制系统的闭环带宽。可以使用等式1计算导致45°相位裕量的最