光电二极管实现精密光学测量分析

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°相位裕量的最大可能闭环带宽。

其中：

fU 是放大器的单位增益频率。

RF 是反馈电阻。

CIN 是输入电容，包括二极管电容和电路板上的其他所有寄生电容等。

CM 是运算放大器的共模电容。

CD 是运算放大器的差分电容。

例如，假设应用中的光电二极管电容为15 pF且跨阻增益为1 M，则等式1预计您将需要单位增益带宽约为95 MHz的放大器，才能获得1 MHz信号带宽。这是相位裕量为45°时的情况，此时在信号阶跃发生变化时会产生峰化。您可能希望通过设计60°或更高的相位裕量来降低峰化，这便要求使用速度更快的放大器。因此，诸如ADA4817-1等具有20 pA最大输入偏置电流和400 MHz左右单位增益频率的器件适用于高增益光电二极管应用，甚至对中等带宽的应用也同样适用。

在多数系统中，光电二极管电容占总输入电容的绝大部分，但某些应用在选择极低输入电容的运算放大器时需分外仔细。为了解决这个问题，某些运算放大器提供特殊的引脚排列，以降低输入电容。例如，图5显示ADA4817-1s引脚排列，可将运算放大器输出路由至反相输入的相邻引脚。

图5. ADA4817-1引脚排列针对低寄生电容优化

采用光电二极管进行设计时，系统噪声通常是又一个难题。输出噪声主要由放大器输入电压噪声和反馈电阻约翰逊噪声导致。来自反馈电阻的噪声出现在输出端，且无额外的放大效应。如果增加电阻值以便放大光电二极管电流，则增益电阻导致的噪声将仅增加电阻值增加量的平方根。实际上，这意味着光电二极管放大器增益越大越有好处，因为若采用第二个放大器级，则噪声会随着增益的增加而线性增加。

放大器输出噪声等于输入电压噪声乘以放大器噪声增益。噪声增益不仅由反馈电阻确定，同时还由反馈和输入电容确定，因此它在整个频率范围内是变化的。图6显示放大器噪声增益与频率关系的典型曲线，并叠加了闭环增益供参考。可从该曲线中了解到两件事：输出噪声在某些频率下会增加，以及频率范围——在该范围内噪声峰值高于放大器闭环截止频率。

图6. 光电二极管放大器的噪声增益会在较高的频率下增加

由于无法利用该带宽，因此可以采用设置为放大器信号带宽的低通滤波器来降低该噪声。

由于反馈电阻的约翰逊噪声随电阻的平方根值而增加，因此相比于使用第二个放大器级，光电二极管放大器中的增益越高越好。如图7所示，通过向光电二极管放大器中加入可编程增益，便可使该想法更进一步。

图7. 可编程增益光电二极管放大器概念

开关S1选择所需的反馈路径，因此您可以为不同信号选择最优增益。不幸的是，模拟开关的导通电阻会使电路产生增益误差。该导通电阻将随施加的电压、温度等的变化而发生改变，因此您必须找到将其从电路消除的方法。图8显示如何使用两组开关移除反馈环路中导通电阻产生的误差。该电路在反馈环路内部有一个开关，如图7所示；但开关S2将电路输出直接与增益电阻相连，而不管放大器输出电压。它可以消除由于电流流过开关S1而产生的任何增益误差。使用该电路的代价之一是输出不再具有与放大器输出有关的低阻抗，因为它包括多路复用器S2的导通电阻。如果下一级具有高阻抗输入(比如采用ADC驱动器)，那么这通常没什么问题。

图8. 使用两组开关降低环路内额外电阻产生的误差

很多精密应用都需测量通过样本吸收或反射的直流光照水平。

虽然某些应用允许对全部环境光进行屏蔽，很多其他系统(主要在工业环境中)不得不暴露在环境光下。此时，可以调制光源并使用同步检测，使您的信号远离低频频谱；而电气干扰和光学干扰在低频频谱中最为严重。最简单的调制方式是快速开关光源。取决于具体光源，可对其进行电子调制，或者像某些较老的仪器仪表那样使用机械斩波器在给定速率下阻挡光线。

例如，如果您对测量某种物质的光吸收并确定其浓度感兴趣，那么您可以对光源进行数kHz斩波。图9显示进行斩波后，测量结果不受大多数环境中普遍存在的低频光污染影响；这类环境的例子有：一天内不同时刻的环境光变化、50 Hz/60 Hz荧光灯等。

图9. 对输入信号进行斩波可将信息移入斩波