圖1顯示電路的原理示意圖。

 

圖1. 簡單跨阻放大器電路

 

該電路的光電二極管在光伏模式下工作，其中運算放大器保持光電二極管上的電壓為0 V。這zhe是shi精jing密mi應ying用yong中zhong最zui常chang見jian的de配pei置zhi。光guang電dian二er極ji管guan的de電dian壓ya與yu電dian流liu關guan係xi曲qu線xian十shi分fen類lei似si於yu常chang規gui二er極ji管guan，但dan前qian者zhe的de整zheng條tiao曲qu線xian會hui隨sui著zhe光guang照zhao水shui平ping的de變bian化hua而er向xiang上shang或huo向xiang下xia平ping移yi。圖tu2a顯示典型的光電二極管傳遞函數。圖2b是(shi)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)放(fang)大(da)後(hou)的(de)圖(tu)形(xing)，表(biao)明(ming)哪(na)怕(pa)在(zai)沒(mei)有(you)光(guang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)也(ye)會(hui)輸(shu)出(chu)少(shao)量(liang)電(dian)流(liu)。這(zhe)種(zhong)暗(an)電(dian)流(liu)會(hui)隨(sui)著(zhe)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)上(shang)的(de)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)增(zeng)加(jia)而(er)上(shang)升(sheng)。大(da)部(bu)分(fen)製(zhi)造(zao)商(shang)在(zai)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)為(wei)10 mV的前提下給出光電二極管的暗電流。

 

圖2. 典型光電二極管傳遞函數

 

光照射到光電二極管的活動區後，電流從陰極流向陽極。理想情況下
，所有的光電二極管電流都流經圖1zhongdefankuidianzu
，chanshengshuzhidengyuguangdianerjiguandianliuchengyifankuidianzudefankuidianya。gaidianluzaiyuanlishanghenjiandan，danruoyaoxitongjubeizuijiaxingnengzebixujiejueyixienanti。

 

 

第(di)一(yi)個(ge)難(nan)題(ti)是(shi)選(xuan)擇(ze)直(zhi)流(liu)規(gui)格(ge)匹(pi)配(pei)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)。對(dui)大(da)部(bu)分(fen)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)，低(di)輸(shu)入(ru)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)是(shi)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)規(gui)格(ge)。放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)存(cun)在(zai)輸(shu)入(ru)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)

，該(gai)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)會(hui)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)總(zong)誤(wu)差(cha)
；erzaiguangdianerjiguanfangdaqizhong
，tahaihuichanshengqitawucha。guangdianerjiguanshangcunzaishurushitiaodianya
，chanshenggengduoandianliu，jinyibuzengjiaxitongshitiaowucha。tongguoruanjianxiaozhun、交流耦合——或者兩者兼用——消除初始直流失調
，但較大的失調誤差會縮小係統動態範圍。幸運的是，輸入失調電壓在幾百mV甚至幾十mV的範圍內，有大量的運算放大器可供選擇。

 

第(di)二(er)重(zhong)要(yao)的(de)直(zhi)流(liu)規(gui)格(ge)是(shi)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)漏(lou)電(dian)流(liu)。電(dian)流(liu)進(jin)入(ru)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)，或(huo)者(zhe)進(jin)入(ru)反(fan)饋(kui)電(dian)阻(zu)以(yi)外(wai)的(de)任(ren)何(he)地(di)方(fang)，都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)。具(ju)有(you)零(ling)輸(shu)入(ru)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)不(bu)存(cun)在(zai)的(de)，但(dan)某(mou)些(xie)CMOS或JFET輸入運算放大器非常接近這個數值。例如，在室溫下，AD8615的最大輸入偏置電流為1 pA。AD549最大輸入偏置電流為60 fA
，該數值得到保證並經過生產測試。FET輸入放大器的輸入偏置電流隨溫度升高而呈指數上升。很多運算放大器提供85°C或125°C下的規格
；但如果未提供，則一種較好的近似是溫度每升高十度，電流就翻倍。

 

另一個難題是設計電路並進行布局，從而最大程度降低外部漏電流路徑——漏電流會影響低輸入偏置電流運算放大器性能。最常用的外部漏電流路徑是印刷電路板本身。例如，圖3顯示圖1中光電二極管放大器的一種可行布局。粉紅色的走線表示+5 V供電軌
，為放大器供電並將電能輸送至電路板的其餘部分。如果在+5 V走線以及搭載光電二極管電流的走線之間電阻等於5 G(圖3中以RL表示)
，那麼1 nA電流將從+5 V走線流入放大器。顯然

，這與應用中仔細選擇1 pAyunsuanfangdaqidemubiaoxiangweibei。zuidachengdusuoduanwaibuloudianliulujingdeyizhongfangfashizengjiadazaiguangdianerjiguandianliudezouxianyurenheqitazouxianzhijiandedianzu。zhekenengrutongzaizouxianzhouweijiaruyigejiaodadeluyoujinquyibianzengjiayuqitazouxianzhijianjulinayangfangbian。zaimouxiejiduanyingyongzhong，youdegongchengshihuiyibingquxiaoPCB走線
，將光電二極管引線暴露在空氣中並與運算放大器輸入端引腳直接相連。

 

圖3. 帶漏電流路徑的光電二極管布局

 

防止外部漏電流的另一種方法是在搭載光電二極管電流的走線旁布局一個保護走線，並確保兩條走線均驅動至相同的電壓。圖4顯示搭載光電二極管電流的網絡周圍的保護走線。+5 V走線產生的漏電流隨後通過RL流入保護走線，而非流入放大器。在該電路中，保護走線和輸入走線之間的壓差僅與運算放大器的輸入失調電壓有關——這就是為什麼要選用低輸入失調電壓放大器的又一個原因。

 

圖4. 使用保護走線降低外部漏電流

 

 

雖(sui)然(ran)大(da)部(bu)分(fen)精(jing)密(mi)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)應(ying)用(yong)的(de)工(gong)作(zuo)速(su)率(lv)較(jiao)低(di)，但(dan)我(wo)們(men)依(yi)然(ran)需(xu)要(yao)保(bao)證(zheng)針(zhen)對(dui)該(gai)應(ying)用(yong)，係(xi)統(tong)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)交(jiao)流(liu)性(xing)能(neng)。這(zhe)裏(li)，兩(liang)個(ge)最(zui)大(da)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)信(xin)號(hao)帶(dai)寬(kuan)(或閉環帶寬)和噪聲帶寬。

 

閉環帶寬取決於放大器的開環帶寬
、增益電阻和總輸入電容。光電二極管輸入電容範圍可從數pF(高速光電二極管)到幾千pF(麵積極大的精密光電二極管)。然(ran)而(er)，在(zai)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)加(jia)入(ru)電(dian)容(rong)會(hui)使(shi)它(ta)變(bian)得(de)不(bu)穩(wen)定(ding)
，除(chu)非(fei)在(zai)反(fan)饋(kui)電(dian)阻(zu)上(shang)添(tian)加(jia)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)。反(fan)饋(kui)電(dian)容(rong)限(xian)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)閉(bi)環(huan)帶(dai)寬(kuan)。可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)等(deng)式(shi)1計算導致45°相位裕量的最大可能閉環帶寬。

 

 

其中：

 

是放大器的單位增益頻率。

 

是反饋電阻。

 

是輸入電容，包括二極管電容和電路板上的其他所有寄生電容等。

 

是運算放大器的共模電容。

 

是運算放大器的差分電容。

 

例如，假設應用中的光電二極管電容為15 pF且跨阻增益為1 M，則等式1預計您將需要單位增益帶寬約為95 MHz的放大器

，才能獲得1 MHz信號帶寬。這是相位裕量為45°時的情況
，此時在信號階躍發生變化時會產生峰化。您可能希望通過設計60°或更高的相位裕量來降低峰化，這便要求使用速度更快的放大器。因此，諸如ADA4817-1等具有20 pA最大輸入偏置電流和400 MHz左右單位增益頻率的器件適用於高增益光電二極管應用，甚至對中等帶寬的應用也同樣適用。

 

在zai多duo數shu係xi統tong中zhong，光guang電dian二er極ji管guan電dian容rong占zhan總zong輸shu入ru電dian容rong的de絕jue大da部bu分fen，但dan某mou些xie應ying用yong在zai選xuan擇ze極ji低di輸shu入ru電dian容rong的de運yun算suan放fang大da器qi時shi需xu分fen外wai仔zai細xi。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti，某mou些xie運yun算suan放fang大da器qi提ti供gong特te殊shu的de引yin腳jiao排pai列lie，以yi降jiang低di輸shu入ru電dian容rong。例li如ru，圖tu5顯示ADA4817-1s引腳排列，可將運算放大器輸出路由至反相輸入的相鄰引腳。

 

圖5. ADA4817-1引腳排列針對低寄生電容優化

 

采(cai)用(yong)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)時(shi)
，係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)通(tong)常(chang)是(shi)又(you)一(yi)個(ge)難(nan)題(ti)。輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)主(zhu)要(yao)由(you)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)噪(zao)聲(sheng)和(he)反(fan)饋(kui)電(dian)阻(zu)約(yue)翰(han)遜(xun)噪(zao)聲(sheng)導(dao)致(zhi)。來(lai)自(zi)反(fan)饋(kui)電(dian)阻(zu)的(de)噪(zao)聲(sheng)出(chu)現(xian)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)，且(qie)無(wu)額(e)外(wai)的(de)放(fang)大(da)效(xiao)應(ying)。如(ru)果(guo)增(zeng)加(jia)電(dian)阻(zu)值(zhi)以(yi)便(bian)放(fang)大(da)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)電(dian)流(liu)，則(ze)增(zeng)益(yi)電(dian)阻(zu)導(dao)致(zhi)的(de)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)僅(jin)增(zeng)加(jia)電(dian)阻(zu)值(zhi)增(zeng)加(jia)量(liang)的(de)平(ping)方(fang)根(gen)。實(shi)際(ji)上(shang)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)放(fang)大(da)器(qi)增(zeng)益(yi)越(yue)大(da)越(yue)有(you)好(hao)處(chu)，因(yin)為(wei)若(ruo)采(cai)用(yong)第(di)二(er)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)級(ji)
，則(ze)噪(zao)聲(sheng)會(hui)隨(sui)著(zhe)增(zeng)益(yi)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)線(xian)性(xing)增(zeng)加(jia)。

 

fangdaqishuchuzaoshengdengyushurudianyazaoshengchengyifangdaqizaoshengzengyi。zaoshengzengyibujinyoufankuidianzuqueding
，tongshihaiyoufankuiheshurudianrongqueding，yincitazaizhenggepinlvfanweineishibianhuade。tu6顯示放大器噪聲增益與頻率關係的典型曲線
，並疊加了閉環增益供參考。可從該曲線中了解到兩件事：輸出噪聲在某些頻率下會增加，以及頻率範圍——在該範圍內噪聲峰值高於放大器閉環截止頻率。

 

圖6. 光電二極管放大器的噪聲增益會在較高的頻率下增加

 

由於無法利用該帶寬

，因此可以采用設置為放大器信號帶寬的低通濾波器來降低該噪聲。

 

 

由於反饋電阻的約翰遜噪聲隨電阻的平方根值而增加，因此相比於使用第二個放大器級
，光電二極管放大器中的增益越高越好。如圖7所示，通過向光電二極管放大器中加入可編程增益
，便可使該想法更進一步。

 

圖7. 可編程增益光電二極管放大器概念

 

開關S1xuanzesuoxudefankuilujing
，yincininkeyiweibutongxinhaoxuanzezuiyouzengyi。buxingdeshi，monikaiguandedaotongdianzuhuishidianluchanshengzengyiwucha。gaidaotongdianzujiangsuishijiadedianya、溫度等的變化而發生改變，因此您必須找到將其從電路消除的方法。圖8顯示如何使用兩組開關移除反饋環路中導通電阻產生的誤差。該電路在反饋環路內部有一個開關，如圖7所示；但開關S2將電路輸出直接與增益電阻相連
，而不管放大器輸出電壓。它可以消除由於電流流過開關S1而產生的任何增益誤差。使用該電路的代價之一是輸出不再具有與放大器輸出有關的低阻抗，因為它包括多路複用器S2的導通電阻。如果下一級具有高阻抗輸入(比如采用ADC驅動器)，那麼這通常沒什麼問題。

 

圖8. 使用兩組開關降低環路內額外電阻產生的誤差

 

 

很多精密應用都需測量通過樣本吸收或反射的直流光照水平。

 

雖然某些應用允許對全部環境光進行屏蔽
，很多其他係統(主要在工業環境中)不得不暴露在環境光下。此時

，可以調製光源並使用同步檢測，使您的信號遠離低頻頻譜

；而er電dian氣qi幹gan擾rao和he光guang學xue幹gan擾rao在zai低di頻pin頻pin譜pu中zhong最zui為wei嚴yan重zhong。最zui簡jian單dan的de調tiao製zhi方fang式shi是shi快kuai速su開kai關guan光guang源yuan。取qu決jue於yu具ju體ti光guang源yuan，可ke對dui其qi進jin行xing電dian子zi調tiao製zhi，或huo者zhe像xiang某mou些xie較jiao老lao的de儀yi器qi儀yi表biao那na樣yang使shi用yong機ji械xie斬zhan波bo器qi在zai給gei定ding速su率lv下xia阻zu擋dang光guang線xian。

 

例如
，如果您對測量某種物質的光吸收並確定其濃度感興趣，那麼您可以對光源進行數kHz斬波。圖9顯示進行斬波後，測量結果不受大多數環境中普遍存在的低頻光汙染影響；這類環境的例子有：一天內不同時刻的環境光變化、50 Hz/60 Hz熒光燈等。

 

圖9. 對輸入信號進行斬波可將信息移入斬波頻率內
，遠離環境噪聲

 

由於調製信號頻率是可控的
，因此可以利用相同的時鍾同步解調接收到的光。圖10中的電路是一個非常簡單的同步解調器。光電二極管放大器輸出端的電壓交流耦合，然後以可編程增益+1和–1經放大器傳輸。增益開關經同步處理，可在預期開燈的確切時刻將增益設為+1，並在預期關燈的時刻設為–1。理li想xiang情qing況kuang下xia，輸shu出chu將jiang是shi直zhi流liu電dian壓ya，並bing與yu光guang脈mai衝chong的de幅fu度du有you關guan。低di通tong濾lv波bo器qi抑yi製zhi一yi切qie與yu調tiao製zhi時shi鍾zhong不bu同tong步bu的de信xin號hao。低di通tong濾lv波bo器qi的de截jie止zhi頻pin率lv等deng於yu調tiao製zhi頻pin率lv周zhou圍wei的de帶dai通tong濾lv波bo器qi寬kuan度du。例li如ru，假jia設she調tiao製zhi頻pin率lv為wei5 kHz，並且采用帶寬為10 Hz的低通濾波器，則電路輸出可將信號從4.99 kHz傳輸至5.01 kHz。降低低通濾波器帶寬可獲得更好的抑製效果，但代價是建立時間更長。

 

圖10. 同步檢測電路One

 

圖9還顯示了使用斬波需注意的另一點。斬波產生的波形並不是頻域內單一的線條(要求使用正弦波)
，而er是shi斬zhan波bo頻pin率lv下xia的de線xian條tiao和he其qi奇qi次ci諧xie波bo。斬zhan波bo頻pin率lv奇qi次ci諧xie波bo處chu的de任ren何he噪zao聲sheng都dou將jiang以yi最zui小xiao程cheng度du的de衰shuai減jian出chu現xian在zai輸shu出chu端duan。通tong過guo使shi用yong正zheng弦xian波bo調tiao製zhi可ke將jiang其qi完wan全quan消xiao除chu，但dan需xu要yao用yong到dao更geng為wei複fu雜za或huo成cheng本ben更geng高gao的de電dian路lu。另ling一yi種zhong解jie決jue方fang案an是shi選xuan擇ze一yi個ge罕han見jian的de基ji波bo頻pin率lv
，其qi諧xie波bo不bu符fu合he任ren何he已yi知zhi的de幹gan擾rao源yuan。您nin還hai可ke在zai固gu件jian內nei實shi現xian圖tu10中的相同功能。您可以根據調製時鍾同步采樣斬波光信號，並使用數字信號處理技術提取目標頻率的幅度信息。

 

 

光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)大(da)多(duo)數(shu)精(jing)密(mi)光(guang)學(xue)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)重(zhong)要(yao)構(gou)建(jian)模(mo)塊(kuai)。選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)很(hen)重(zhong)要(yao)

，是(shi)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)的(de)第(di)一(yi)步(bu)。使(shi)用(yong)其(qi)他(ta)性(xing)能(neng)增(zeng)強(qiang)技(ji)術(shu)——比如可編程增益和同步檢測——有助於增加動態範圍並抑製噪聲。

 

本文轉載自亞德諾半導體。