發布日期：2022-10-09 點擊率：210
在用于光檢測的固態檢波器中，光電二極管仍然是基本選擇。光電二極管廣泛用于光通信和醫療診斷。其他應用包括色彩測量、信息處理、條形碼、相機曝光控制、電子束邊緣檢測、傳真、激光準直、飛機著陸輔助和導彈制導。
設計過程中，經常會優化用于光電模式或光敏模式的光電二極管。響應度是檢波器輸出與檢波器輸入的比率， 是光電二極管的關鍵參數。 其單位為 A/W 或 V/W。
前置放大器在高背景噪聲環境中提取傳感器生成的小信號。 光電導體的前置放大器有兩類：電壓模式和跨導（圖 2）。
圖 3c 所示的跨導放大器結構產生的精密線性傳感性能是通過“零偏壓”光電二極管實現的。在此配置中，光電二極管發現輸出間存在短路，按照公式 3 （Isc =Ilight），基本上不存在“暗”電流。
光電二極管暴露在光線下且使用圖 2c 的電路時，電流將流到運算放大器的反相節點，如圖 3 所示。若負載（RL）為 0 Ω且 VOUT = 0 V，則理論上光電二極管會出現短路。實際上，這兩種狀況都絕對不會出現。RL 等于 Rf/Aopen_loop_Gain，而 VOUT 是放大器反饋配置施加 的虛擬地。
圖 4所示電路是一個高速光電二極管信 號調理電路，具有暗電流補償功能。系統轉換來自高速硅PIN光電二極管的電流，并驅動20 MSPS模數轉換器（ADC）的輸入。該器件組合可提供400 nm至1050 nm的頻譜敏感度和49 nA的光電流敏感度、91 dB的動態范圍以及2 MHz的帶寬。信號調理電路采用±5 V電源供電，功耗僅為40 mA，適合便攜式高速、高分辨率光強度應用，如脈搏血氧儀。
光電二極管工作時采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光導）模式。光伏模式可獲得最精確的線性運算，而讓二極管工作在光導模式可實現更高的開關速度，但代價是降低線性度。在反向偏置條件下，存在少量的電流（稱為暗電流），它們甚至在沒有光照度的情況下也會流動。可在運算放大器的同相輸入端使用第二個同類光電二極管消除暗電流誤差，如圖4所示。
圖4. 具有暗電流補償功能的光電二極管前置放大器系統（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）
本電路還適合其它應用，如模擬光隔離器。它還能滿足需要更高帶寬和更低分辨率的應用，如自適應速度控制系統。
本電路筆記討論圖4中所示電路的優化設計步驟，以滿足特定帶寬應用的要求，這些步驟包括：穩定性計算、噪聲分析和器件選擇考慮因素。
光電二極管屬于高阻抗傳感器，用于檢測光的強度。它沒有內部增益，但相比其它光檢測器，可在更高的光級度下工作。
有三個因素影響光電二極管的響應時間：
處于光電二極管耗盡區域內載波的充電采集時間
處于光電二極管未耗盡區域內載波的充電采集時間
二極管電路組合的RC時間常數
由于結電容取決于光電二極管的擴散區以及施加的反向偏置，采用擴散區較小的光電 二極管并施加較大的反向偏置即可獲得更快的上升時間。在 CN-0272電路筆記中，采用 SFH 2701 PIN光電二極管，其結電容典型值為3 pF，0 V偏置下的最大值為5 pF.1 V反向偏置時的典型電容為2 pF，5 V 反向偏置時為1.7 pF.本電路的測量均在5 V反向偏置下進行。
圖5 光電二極管電路的噪聲電路分析
該軟件環境提供了光電二極管的 LabVIEW跨導模型，允許根據設計示例中使用的具體光電二極管進行定制（圖 5a）。必須先運行仿真，再構建任何板卡。由于噪聲增益路徑（圖 5b）中引入了零點，所以可能會出現不穩定。MultiSim 仿真說明了噪聲增益路徑中引入零點造成的不 穩定（圖 5b）。改變反饋電阻上的電容會影響可用的帶寬（圖 5c）。
如上文所述，必須在反饋電阻上放置 2 pF 電容來引入一個極點，從而取消此零點。 2 pF 反饋電容是理論值。 可以分析不同值對設計電路可用帶寬的影響（圖 5c）。還可以通過監控輸出來校驗電路帶寬，其-3 dB 帶寬為 1 kHz。
編輯點評：本文介紹分析了光電二極管的原理及信號調理電路圖，光電二極管產生一個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轉換為一個可用的電壓信號。可用于CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測器、位置傳感器、紅外高溫計和色譜分析儀等系統中。
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