光電二極管檢測(cè)電路的組成及工作原理

1、光電二極管及其相關(guān)的前置放大器是基本物理量和電子量之間的橋梁。許多精密應(yīng)用領(lǐng)域需要檢測(cè)光亮度并將之轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)字信號(hào)。光檢測(cè)電路可用于CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測(cè)器、位置傳感器、紅外高溫計(jì)和色譜分析儀等系統(tǒng)中。在這些電路中光電二極管產(chǎn)生一個(gè)與照明度成比例的微弱電流。而前置放大器將光電二極管傳感器的電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用的電壓信號(hào)?？雌饋砗孟笥靡粋€(gè)光電二極管、一個(gè)放大器和一個(gè)電阻便能輕易地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電流至電壓的轉(zhuǎn)換但這種應(yīng)用電路

2、卻提出了一個(gè)問題的多個(gè)側(cè)面。為了進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用前景單電源電路還在電路的運(yùn)行、穩(wěn)定性及噪聲處理方面顯示出新的限制。本文將分析并通過模擬驗(yàn)證這種典型應(yīng)用電路的穩(wěn)定性及噪聲性能。首先探討電路工作原理然后如果讀者有機(jī)會(huì)的話可以運(yùn)行一個(gè)SPICE模擬程序它會(huì)很形象地說明電路原理。以上兩步是完成設(shè)計(jì)過程的開始。第三步也是最重要的一步（本文未作討論）是制作實(shí)驗(yàn)?zāi)M板。1光檢測(cè)電路的基本組成和工作原理光檢測(cè)電路的基本組成和工作原理設(shè)計(jì)一個(gè)精密的光檢測(cè)電

3、路最常用的方法是將一個(gè)光電二極管跨接在一個(gè)CMOS輸入放大器的輸入端和反饋環(huán)路的電阻之間。這種方式的單電源電路示于圖1中。在該電路中光電二極管工作于光致電壓（零偏置）方式。光電二極管上的入射光使之產(chǎn)生的電流ISC從負(fù)極流至正極如圖中所示。由于CMOS放大器反相輸入端的輸入阻抗非常高二極管產(chǎn)生的電流將流過反饋電阻RF。輸出電壓會(huì)隨著電阻RF兩端的壓降而變化。圖中的放大系統(tǒng)將電流轉(zhuǎn)換為電壓即VOUT=ISCRF（1）圖1單電源光電二極管檢測(cè)

4、電路式（1）中VOUT是運(yùn)算放大器輸出端的電壓?jiǎn)挝粸閂ISC是光電二極管產(chǎn)生的電流單位為ARF是放大器電路中的反饋電阻單位為W。圖1中的CRF是電阻RF的寄生電容和電路板的分布電容且具有一個(gè)單極點(diǎn)為1（2pRFCRF）。用SPICE可在一定頻率范圍內(nèi)模擬從光到電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系。模擬中可選的變量是放大器的反饋元件RF。用這個(gè)模擬程序激勵(lì)信號(hào)源為ISC輸出端電壓為VOUT。此例中RF的缺省值為1MWCRF為0.5pF。理想的光電二極管模型包括

5、一個(gè)二極管和理想的電流源。給出這些值后傳輸函數(shù)中的極點(diǎn)等于1（2pRFCRF）即318.3kHz。改變RF可在信號(hào)頻響范圍內(nèi)改變極點(diǎn)。工作于光致電壓方式下的光電二極管上沒有壓降即為零偏置。在這種方式中為了光靈敏度及線性度二極管被應(yīng)用到最大限度并適用于精密應(yīng)用領(lǐng)域。影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD它們會(huì)影響光檢測(cè)電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。結(jié)電容CPD是由光電二極管的P型和N型材料之間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層窄結(jié)電容的值大。相

6、反較寬的耗盡層（如PIN光電二極管）會(huì)表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約從20或25pF到幾千pF以上。結(jié)電容對(duì)穩(wěn)定性、帶寬和噪聲等性能產(chǎn)生的重要影響將在下面討論。在光電二極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中寄生電阻RPD也稱作“分流”電阻或“暗”電阻。該電阻與光電二極管零偏或正偏有關(guān)。在室溫下該電阻的典型值可超過100MW。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用該電阻的影響可被忽略。分流電阻RPD是主要的噪聲源這種噪聲在圖2中示為ePD。RPD產(chǎn)生的噪聲稱作散粒

7、噪聲（熱噪聲）是由于載流子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。二極管的第二個(gè)寄生電阻RS稱為串聯(lián)電阻其典型值從10W到1000W。由于此電阻值很小它僅對(duì)電路的頻率響應(yīng)有影響。光電二極管的漏電流IL是引發(fā)誤差的第四個(gè)因素。如果放大器的失調(diào)電壓為零這種誤差很小。與光致電壓方式相反光致電導(dǎo)方式中的光電二極管具有一個(gè)反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測(cè)器上時(shí)耗盡層的寬度會(huì)增加從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作然而線性度

8、和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個(gè)問題的折衷設(shè)計(jì)將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。下面將集中討論光致電壓方式下的光電二極管的應(yīng)用領(lǐng)域。2.2運(yùn)放的運(yùn)放的SPICE模型模型運(yùn)算放大器具有范圍較寬的技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)它對(duì)光檢測(cè)電路的穩(wěn)定性和噪聲性能影響很少。其主要參數(shù)示于圖3的模型中它包括一個(gè)噪聲源電壓、每個(gè)輸入端的寄生共模電容、輸入端之間的寄生電容及與頻率有關(guān)的開環(huán)增益。輸入差分電容CDIFF和輸入共模電容CCM是直接影響電路穩(wěn)定性和噪聲性能的