【導(dǎo)讀】光電二極管屬于光檢測固態(tài)檢波器中的基本選擇和應(yīng)用。在光通信和醫(yī)療診斷中，光電二極管被廣泛的應(yīng)用著。包括在信息處理、色彩測量、導(dǎo)彈制導(dǎo)、條形碼等應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。
設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會優(yōu)化用于光電模式或光敏模式的光電二極管。響應(yīng)度是檢波器輸出與檢波器輸入的比率，是光電二極管的關(guān)鍵參數(shù)。其單位為A/W或V/W。
前置放大器在高背景噪聲環(huán)境中提取傳感器生成的小信號。光電導(dǎo)體的前置放大器有兩類：電壓模式和跨導(dǎo)（圖2）。
圖3c所示的跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的精密線性傳感性能是通過“零偏壓”光電二極管實(shí)現(xiàn)的。在此配置中，光電二極管發(fā)現(xiàn)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(shí)，電流將流到運(yùn)算放大器的反相節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。若負(fù)載（RL）為0Ω且VOUT=0V，則理論上光電二極管會出現(xiàn)短路。實(shí)際上，這兩種狀況都絕對不會出現(xiàn)。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(gè)高速光電二極管信號調(diào)理電路，具有暗電流補(bǔ)償功能。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換來自高速硅PIN光電二極管的電流，并驅(qū)動20MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入。該器件組合可提供400nm至1050nm的頻譜敏感度和49nA的光電流敏感度、91dB的動態(tài)范圍以及2MHz的帶寬。信號調(diào)理電路采用±5V電源供電，功耗僅為40mA，適合便攜式高速、高分辨率光強(qiáng)度應(yīng)用，如脈搏血氧儀。
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光電二極管工作時(shí)采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光導(dǎo)）模式。光伏模式可獲得最精確的線性運(yùn)算，而讓二極管工作在光導(dǎo)模式可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度，但代價(jià)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(yùn)算放大器的同相輸入端使用第二個(gè)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(bǔ)償功能的光電二極管前置放大器系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）
本電路還適合其它應(yīng)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(yīng)用，如自適應(yīng)速度控制系統(tǒng)。
本電路筆記討論圖4中所示電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，以滿足特定帶寬應(yīng)用的要求，這些步驟包括：穩(wěn)定性計(jì)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(qiáng)度。它沒有內(nèi)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(gè)因素影響光電二極管的響應(yīng)時(shí)間：
處于光電二極管耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時(shí)間
處于光電二極管未耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時(shí)間
二極管電路組合的RC時(shí)間常數(shù)
由于結(jié)電容取決于光電二極管的擴(kuò)散區(qū)以及施加的反向偏置，采用擴(kuò)散區(qū)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(shí)間。在CN-0272電路筆記中，采用SFH2701PIN光電二極管，其結(jié)電容典型值為3pF，0V偏置下的最大值為5pF.1V反向偏置時(shí)的典型電容為2pF，5V反向偏置時(shí)為1.7pF.本電路的測量均在5V反向偏置下進(jìn)行。
該軟件環(huán)境提供了光電二極管的LabVIEW跨導(dǎo)模型，允許根據(jù)設(shè)計(jì)示例中使用的具體光電二極管進(jìn)行定制（圖5a）。必須先運(yùn)行仿真，再構(gòu)建任何板卡。由于噪聲增益路徑（圖5b）中引入了零點(diǎn)，所以可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定。MultiSim仿真說明了噪聲增益路徑中引入零點(diǎn)造成的不穩(wěn)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2pF電容來引入一個(gè)極點(diǎn)，從而取消此零點(diǎn)。2pF反饋電容是理論值。可以分析不同值對設(shè)計(jì)電路可用帶寬的影響（圖5c）。還可以通過監(jiān)控輸出來校驗(yàn)電路帶寬，其-3dB帶寬為1kHz。
本文介紹分析了光電二極管的原理及信號調(diào)理電路圖，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轉(zhuǎn)換為一個(gè)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(jì)和色譜分析儀等系統(tǒng)中。
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