光電二極管前置放大器設計

1、光電二極管前置放大器設計許多常用傳感器的輸出阻抗超過幾兆歐，因此，其相應的信號調(diào)理電路必須仔細設計，以滿足低偏置電流、低噪聲和高增益的要求。本文分析介紹光電二極管前置放大器，文中討論了與高阻抗傳感器信號調(diào)理電路有關的問題，并提供了實際解決方案。光電二極管前置放大器設計光電二極管在受到光照時，會產(chǎn)生一個與照度成正比的小電流，因此是很好的光電傳感器，可廣泛應用于精密光度計、高速光纖接收器等領域。光電二極管的等效電路如圖1所示。光電二極管靈敏度的標準規(guī)定方法之一是對來自嚴格定義的光源給定的光強確定它的短路電流S最常用的光源是工作在色溫下的白熾鎢燈。在呎燭光照度相當于陰天的光強下,對于小面積小于二極管

2、的短路電流通常是數(shù)皮安到數(shù)百微安M)短路電流在69個數(shù)量級的光強范圍呈理想線性變化，因此常被用作絕對光強的測量。光電二極管兩端的開路電壓隨光強呈對數(shù)變化，但因為其溫度系數(shù)很大，所以二極管電壓很少用于光強的精密測量。分路電阻在室溫下通常是Q左右,且溫度每增加C就減少/二極管電容隨結(jié)面積和二極管偏壓而變化，對于結(jié)面積很小的二極管，零偏壓時的典型是光電二極管可以以兩種模式工作,一是零偏置工作光伏模式如圖,一是反偏置工作光導模式如圖b在光伏模式時，光電二極管可非常精確地線性工作；而在光導模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流，叫做暗電流（無

3、照電流）。在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管噪聲基本上是分路電阻產(chǎn)生的熱噪聲。在反偏置時，由于導電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。在設計光電二極管過程中，通常是針對光伏或光導兩種模式之一進行最優(yōu)化設計的，而不是兩種模式的使用都是最優(yōu)化。將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為可用電壓的簡便方法,是用一個運算放大器作為電流電壓轉(zhuǎn)換器（如圖3所示）。二極管偏置由運算放大器的虛地維持在零電壓，短路電流即被轉(zhuǎn)換為電壓。在最高靈敏度時，該放大器必須能檢測的二極管電流。這意味著反饋電阻必須非常大，而放大器偏置電流必須極小。例如，對于的偏置電流，Q反饋電阻將產(chǎn)生的相應電壓。因為再大的電阻是不切實際的，所以對于最高靈敏度的情況

4、使用Q。這樣對于的二極管電流，放大器將給出輸出電壓；而對于的二極管電流，輸出電壓為。這樣便給出的動態(tài)范圍。對于更大的光強值，必須使用較小的反饋電阻來降低電路增益。對于這個最高靈敏度范圍，我們應能很容易區(qū)分無月夜的光強和滿月夜的光強。TVhiasffl2先電二極菅工作建成沁W低唏丹GUARDJNVFBTPH21ww3hr2:PACKAGETn:;nfi:：:LiJ!HLLOWRR77圖6保護DIP封裝的印紂電跑撫:乍場GUAkl1M*UTGVAWnAD795u.RR*PACKAGEJ3司INVFJtTtRGLAkl)INPUTGLAkD圖7保護SO【C封就印制電芬機右同BENTINPUTPINP

5、IN：FORINVERTER圖8與“沒有玷污過的初聚四敘乙烯隔離絕緣子相連於處化刖田9AD795前JE放丸器的宜冰畑良要精確測量數(shù)10A范圍的光電二極管電流，運算放大器的偏置電流不應大于數(shù)皮安，這就大大縮小了選擇的余地。工業(yè)標準的0是一種超低失調(diào)電壓（10pV）的雙極型運算放大器，但是其偏置電流達nA（000A盡管帶偏置電流補償?shù)某p極型運算放大器（例如），在室溫下的偏置電流大約有100A但是因為它不象那樣溫度每升高10C偏置電流就增加一倍戶斤以對于很高溫度下的應用很合適。我們選擇帶輸入的“靜電計級”運算放大器作為光電二極管前置放大器，因為它必須只工作在指定的溫度范圍內(nèi)。這類器件采用工藝制造，

6、使用溝道結(jié)型場效應晶體管作為輸入級（參見圖）運算放大器電路的其余部分使用雙極型運算放大器設計。為使失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移減至最小，運算放大器在芯片工藝中采用了激光微調(diào)技術。失調(diào)電壓漂移通過下列調(diào)整過程減至最?。菏紫任⒄{(diào)輸入級，使構(gòu)成一對差動電路的兩個中的電流相等；然后，微調(diào)源電阻，將輸入失調(diào)電壓減至最小。選擇A作為光電二極管前置放大器，其主要性能如下：失調(diào)電壓：在5C時，最大為50V（級）失調(diào)電壓漂移：最大為MV/C（級）輸入偏置電流：在5C時，最大為1A（級）0.1-10Hz電壓噪聲：.MV1/f轉(zhuǎn)折頻率：1Hz電壓噪聲：在100Hz處為10nV/VHz電流噪聲：在100Hz處為0.6fA/

7、VHz在15V時的功耗為0增益帶寬乘積1Hz因為二極管電流以A為單位測量的，所以必須特別注意實際電路中潛在的泄漏路徑。對于高質(zhì)量、清潔的環(huán)氧樹脂印制電路板上的兩條相距0.05英寸的平行導線，在15C時1英寸長的平行布線的漏電阻約為1011歐姆，如果在它們間存在15V的電壓，便會有150A的電流流過。光電二極管的主要泄漏路徑如圖5中的虛線所框。反饋電阻應采用有玻璃絕緣的陶瓷電阻或玻璃上的薄膜電阻?？缃釉诜答侂娮鑳啥说难a償電容器應具有聚丙烯或聚苯乙烯介質(zhì)。與匯合結(jié)點的所有連線應足夠短。如果用電纜將光電二極管和前置放大器相連接，則電纜應盡量短且用聚四氟乙烯絕緣。通過將放大器的輸入與印制電路板上的大電

8、壓梯度進行隔離的防護方法，可以減少寄生泄漏電流。實際上，防護方法就是在輸入線周圍并上升到線路電壓的低阻抗導線。它通過將泄漏電流轉(zhuǎn)移到遠離靈敏結(jié)點處而對泄漏電容起緩沖作用。究竟采用哪種保護技術取決于工作方式即反相或同相方式。圖示出一種用來保護DIP（“N”型）封裝的D運算放大器輸入的印制電路板布置。應該注意到這種封裝的引腳間隔允許布線在引腳之間通過。在反相工作方式下保護印制線圍繞倒相輸入（引腳且走向與輸入印制線平行在跟隨器工作方式下保護電壓是到倒相輸入引腳的反鎖電壓。在兩種工作方式下保護印制線應盡可能處在印制電路板的兩側(cè)并連在一起。將保護技術用于SOIC表面要裝（“R”）封裝時由于引腳的間隔不允

9、許在引腳之間容納印制電路的寬印制線所以情況要稍微復雜一些。圖示出一種優(yōu)選的方法。在SOIC“R”封裝中引腳、引腳和引腳是不連接”引腳可用于信號路徑印制線（如圖所示）。在跟隨器的情況下保護印制線必須繞過引腳。對于偏流極小的應用場合（如利用輸入偏流為的D的場合）所有與該運算放大器輸入端的連線都應接到?jīng)]有玷污過的聚四氟乙烯隔離絕緣子上（“沒有玷污過的”聚四氟乙烯是指已加工成形但未玷污上粉末或顆?；覊m的一塊潔凈的固體聚四氟乙烯材料）。如果從機械加工和制造考慮允許的話,則運算放大器的反相輸入端應直接焊到聚四氟乙烯隔離絕緣子上（見圖8）而,不穿過印制電路板上的通孔。印制電路板本身需仔細清潔,然后用優(yōu)質(zhì)涂覆材料加以密封,防止?jié)駳夂突覊m侵入。H討KMlOMiJmfUTOFFHTKANi：(jAISmVpANOISK:RMSIOOM)NOISE除將泄漏電流減至最小之外,整個電路應當用接地金屬屏進行良好屏蔽,以防接收雜散信號。前置放大器的失調(diào)電壓和漂移分析圖9示出光電二極管前置放大器的失調(diào)電壓和偏流模型。在這個電路中有兩點重要考慮。首先,二極管分流電阻R隨溫度而變一每當溫度升高C時其阻值便減小一半。在室溫2C下RQ而在C