[组图]精密的单电源光检测电路设计方案

工作于光致电压方式下的光电二极管上没有压降,即为零偏置。在这种方式中,为了光灵敏度及线性度,二极管被应用到最大限度,并适用于精密应用领域。影响电路性能的关键寄生元件为C_PD和R_PD,它们会影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。

结电容C_PD是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的。耗尽层窄,结电容的值大。相反,较宽的耗尽层（如PIN光电二极管）会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约从20或25pF到几千pF以上。结电容对稳定性、带宽和噪声等性能产生的重要影响将在下面讨论。

在光电二极管的数据手册中,寄生电阻R_PD也称作“分流”电阻或“暗”电阻。该电阻与光电二极管零偏或正偏有关。在室温下,该电阻的典型值可超过100MW 。对于大多数应用,该电阻的影响可被忽略。

分流电阻R_PD是主要的噪声源,这种噪声在图2中示为e_PD。R_PD产生的噪声称作散粒噪声（热噪声）,是由于载流子热运动产生的。

二极管的第二个寄生电阻R_S称为串联电阻,其典型值从10W 到1000W 。由于此电阻值很小,它仅对电路的频率响应有影响。光电二极管的漏电流I_L是引发误差的第四个因素。如果放大器的失调电压为零,这种误差很小。

与光致电压方式相反,光致电导方式中的光电二极管具有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器上时,耗尽层的宽度会增加,从而大幅度地减小寄生电容C_PD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作,然而,线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流I_L和线性误差。

下面将集中讨论光致电压方式下的光电二极管的应用领域。

当运行SPICE噪声模拟程序时,必须使用一个独立的交流电压源或电流源。为了模拟放大器的输入噪声RTI,一个独立的电压源V_IN应加在放大器的同相输入端。另外,电路中的反馈电阻保持较低值（100W ）,以便在评估中不影响系统噪声。

图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益A_OL（jw ）,典型情况下,在传输函数中该响应特性至少有两个极点,该特性用于确定电路的稳定性。

在这个应用电路中,对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围。一般而言,输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值,而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压以下0.3V的共模范围。由于同相输入端接地,此类性能非常适合于本应用领域。当放大器对地的负载电阻为小于R_F /10时,则单电源放大器的输出摆幅可最优化。如果采用这种方法,最坏情况下放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的0.5%。

SPICE宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数。一个放大器宏模型会具有适当的开环增益频率响应、输入共模范围和不那么理想的输出摆幅范围。表1中列出了本文使用的三个放大器宏模型的特性。

光电二极管和放大器的寄生元件对电路的影响可容易地用SPICE模拟加以说明。例如,在理想情况下,可以通过使用I_SC的方波函数和观察输出响应来进行模拟。

表1 本文提到的运放宏模型特性