[组图]精密的单电源光检测电路设计方案

1/b 网络的极点设计成1/b 与放大器的开环增益曲线相交的那一点。此时频率就是这两条曲线的几何平均值。C_F可计算如下

（5）

式（5）中f_U是放大器的增益带宽积。此时,系统具有45° 的总相位容限,阶跃响应将呈现25%的过冲。对于使用MCP601放大器的电路,C_F的值将为

这种最佳的计算结果是建立在假设放大器参数如带宽或输入电容以及反馈电阻值没有改变,二极管的寄生电容也无改变基础上的。

较保守的计算方法C_F的取值为

（6）

此时系统的相位容限将为65° ,而阶跃函数的过冲是5%。用式（6）,C_F的值将为

这种保守的方法会轻微增加系统噪声。上述两种结果均可用模拟程序#7～#10分别对表1中的MCP601和OPAMP#2进行模拟。

系统的噪声性能是通过计算或模拟而推导出来的,它涉及到频率响应中五个区域的噪声和反馈电阻噪声。这五个区域如图8所示。图8中将整个响应分成五个区域便可容易地计算出噪声电压。每个区域内的总噪声等于系统增益（1/b ）乘以放大器噪声的均方根值。R_F的噪声不乘系统增益。

该系统的噪声电压完整计算如下

（7）

采用MCP601放大器模拟系统的累积噪声,结果显示噪声主要发生在较高的频率处。增加C_F的值或减少R_F的值可容易地降低整个系统的噪声。

另一个降低噪声的方法是减小放大器的带宽。这可从模拟“运放#2”中观察到。在运行模拟程序之前,要保证已键入了用户想采用的反馈电容值。

采用“运放#2”模拟系统的累积噪声显示了所希望的结果,但是,光电二极管输入信号的带宽却由于放大器的带宽限制而大大减小。在某些应用领域,这可能是不可折衷的。为了降低噪声,这个电路输出端可减小的其它参数是光电二极管的寄生电容C_PD和运放的输入电容C_CM和C_DIFF。

在光电二极管前置放大器电路中,允许的最大噪声是多少？作为一种参考,工作在5V输入范围的12位系统具有相当于1.22mV的LSB。而同样输入电压范围的16位系统的LSB则为76.29m V。

本文特别关注了与标准光检测电路有关的稳定性和噪声问题。电路工作原理为如何较好地解决设计问题提供了思路。而模拟则用于验证理论,它说明如何才能设计出一个低噪声又充分稳定的电路方案。设计中的可变参数是光电二极管、运算放大器和反馈网络。选择光电二极管主要是因为其良好的光响应特性。但是,它的寄生电容会对噪声增益和电路的稳定性产生影响。选择运放是由于其小的输入偏置电流和带宽。此外,放大器产生的噪声也是一个重要的指标。最后,反馈网络也影响系统的信号带宽和噪声幅度。

一旦理论和模拟相互吻合,设计过程中最后且最重要的一步就是制作实验模拟板。

需要说明的是：本文提供了用SPICE软件模拟实例电路12种相关的性能,它们分别可模拟光电二极管的传输函数,二极管上升时间;运放的噪声、运放的方波响应;光检测电路系统的频率响应和阶跃响应;系统的积累噪声等(略)。读者可通过网址http: //onlinetools.chipcenter.com/netsim/ photo-diode/pd_article.html上相应的模拟程序进行模拟。

1 Baker, Bonnie C.. Keeping the Signal Clean in Photosensing Instrumentation. SENSORS, June 1997: 12

2 Baker, Bonnie C.. The Eyes of the Electronics World. http://www.EDTN.com (Internet Magazine), Analog Avenue, Tech Notes, January 21, 1998

3 Baker, Bonnie C.. Comparison of Noise Perfor-mance between a FET Transimpedance Amplifier and a Switched Integrator. Burr-Brown Application note, AB-057, January 199

4 eippel, Robert G.. Optoelectronics, Reston Publishing Company. Inc., 1981