文档介绍：欢迎访问Freekaoyan论文站光电二极管前置放大器设计欢迎访问Freekaoyan论文站    欢迎访问Freekaoyan论文站    许多常用传感器的输出阻抗超过几兆欧,因此,其相应的信号调理电路必须仔细设计,以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求。本文分析介绍光电二极管前置放大器,文中讨论了与高阻抗传感器信号调理电路有关的问题,并提供了实际解决方案。光电二极管前置放大器设计光电二极管在受到光照时,会产生一个与照度成正比的小电流,因此是很好的光电传感器,可广泛应用于精密光度计、高速光纤接收器等领域。光电二极管的等效电路如图1所示。光电二极管灵敏度的标准规定方法之一是对来自严格定义的光源给定的光强确定它的短路电流ISC。最常用的光源是工作在2850K色温下的白炽钨灯。在100fc(呎-烛光)照度(相当于阴天的光强)下,对于小面积(小于1mm2)二极管的短路电流通常是数皮安(pA)到数百微安(μA)。短路电流在6~9个数量级的光强范围呈理想线性变化,因此常被用作绝对光强的测量。光电二极管两端的开路电压随光强呈对数变化,但因为其温度系数很大,所以二极管电压很少用于光强的精密测量。分路电阻RSH在室温下通常是1000MΩ左右,且温度每增加10℃就减少1/2。二极管电容CJ随结面积和二极管偏压而变化,对于结面积很小的二极管,零偏压时的典型CJ是50pF。光电二极管可以以两种模式工作,一是零偏置工作(光伏模式,如图2a),一是反偏置工作(光导模式,如图2b)。在光伏模式时,光电二极管可非常精确地线性工作;而在光导模式时,光电二极管可实现较高的切换速度,但要牺牲线性。在反偏置条件下,即使无光照,仍有一个很小的电流,叫做暗电流(无照电流)。在零偏置时则没有暗电流,这时二极管噪声基本上是分路电阻产生的热噪声。在反偏置时,由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。在设计光电二极管过程中,通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的,而不是两种模式的使用都是最优化。将光电二极管电流转换为可用电压的简便方法,是用一个运算放大器作为电流——电压转换器(如图3所示)。二极管偏置由运算放大器的虚地维持在零电压,短路电流即被转换为电压。在最高灵敏度时,该放大器必须能检测30pA的二极管电流。这意味着反馈电阻必须非常大,而放大器偏置电流必须极小。例如,对于30pA的偏置电流,1000MΩ反馈电阻将产生30mV的相应电压。因为再大的电阻是不切实际的,所以对于最高灵敏度的情况使用1000MΩ。这样对于10pA的二极管电流,放大器将给出10mV输出电压;而对于10nA的二极管电流,输出电压为10V。这样便给出60dB的动态范围。对于更大的光强值,必须使用较小的反馈电阻来降低电路增益。对于这个最高灵敏度范围,我们应能很容易区分无月夜的光强()和满月夜的光强()。注意,为了要获得最大的信噪比(SNR),我们应当选择从一级电路而不是两级电路的级联来获得尽可能高的增益。如果我们将反馈电阻减小为原来的一半,则信号强度则降为原来的1/2,而反馈电阻产生的噪声√4KTR·带宽仅降低√2倍。假定闭环带宽保持不变,这将使SNR减小3dB。在下面的分析中,我们将看到电阻是对总输出噪声影响最大的因素之一。要精确测量数10pA范围的光电二极管电流,运算放大器的偏置电流不应大于数皮