在高精度光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，我們經(jīng)常使用光電二極管和互阻抗放大器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將其放大。如圖 1 所示，通過(guò) R1 的光電流可在放大器輸出端產(chǎn)生電壓，實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換。這是最簡(jiǎn)單、最常用的光電轉(zhuǎn)換電路。本文將介紹如何在已有光電二極管的情況下選擇放大器，如何在已有放大器的情況下選擇光電二極管，以及如何優(yōu)化反饋電阻器 R1 及補(bǔ)償電容器 C1。
圖 1：最簡(jiǎn)單的常用光電轉(zhuǎn)換電路
圖 2 是開(kāi)環(huán)增益 (Aol)、互阻抗(電流至電壓 I-V)增益以及整個(gè)頻率下的噪聲增益。根據(jù)圖 2，在互阻抗電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們必須考慮零點(diǎn)、極點(diǎn)以及放大器 GBW (fc)，以滿足系統(tǒng)要求。
圖 2：互阻抗放大器的頻率響應(yīng)
硅光電二極管、PIN 二極管和 APD 二極管是三種典型的光電二極管。硅光電二極管專(zhuān)為高精度光度測(cè)定領(lǐng)域設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兙哂懈哽`敏度與低暗電流。PIN 二極管能夠以低偏置電壓提供大帶寬，一般用于高速光度測(cè)定與光通信。APD 二極管具有高內(nèi)部增益機(jī)制、快速時(shí)間響應(yīng)以及紫外至近紅外區(qū)的高靈敏度，主要用于高速遠(yuǎn)距離光通信系統(tǒng)。
硅光電二極管的主要規(guī)范有光譜響應(yīng)、光靈敏度、暗電流、終端電容、分流電阻、響應(yīng)時(shí)間以及噪聲等效功率。運(yùn)算放大器規(guī)范也很重要。在本應(yīng)用中，我們更關(guān)注放大器的偏置電流、失調(diào)、GBW、噪聲、輸入電容以及輸出軌。選擇運(yùn)算放大器時(shí)，首先應(yīng)選擇 JFET 或 CMOS 放大器。JFET 與 CMOS 輸入放大器具有極低的偏置電流，非常適合光電轉(zhuǎn)換。
在光電二極管規(guī)范確定后，如何選擇放大器、 R1 和 C1 ：
在本部分中，我們將探討在指定了系統(tǒng)帶寬 (BW0) 和光電二極管特征(光電二極管結(jié)點(diǎn)電容 Cd 和光電二極管分流電阻 Rsh)的情況下如何選擇組件。目標(biāo)是選擇放大器、反饋電阻器和補(bǔ)償電容器�，F(xiàn)在我們已知的參數(shù)有 BW0、Cd 和 Rsh。在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，輸出噪聲可影響電路靈敏度。光電二極管在應(yīng)用中的最大輸出電流由輸入光學(xué)功率以及光電二極管規(guī)范決定。因此，我們可通過(guò)在開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算或測(cè)量來(lái)確定光電二極管的最大輸出電流 Iomax。
放大器具有輸出軌限制，從來(lái)不會(huì)超過(guò)電源范圍。某些放大器輸出軌非常接近電源軌，而某些輸出軌卻有極大限制。我們可以參考運(yùn)算放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，了解具體電軌限制。為讓放大器工作在線性區(qū)域，我們必須限制反饋電阻器的值。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，可能會(huì)有放大器偏置電流、輸入失調(diào)以及二極管暗電流造成的大量輸出失調(diào)。輸出失調(diào)不僅會(huì)限制放大器的 AC 動(dòng)態(tài)范圍，而且還會(huì)限制反饋電阻器的值：
如果 R1 太小，放大器 AC 輸出動(dòng)態(tài)范圍就很浪費(fèi)。另一方面，大型 R1 會(huì)增大電路輸出噪聲，如圖 3 所示。
圖 3：反饋電阻器對(duì)噪聲增益的影響
較大電路帶寬需要較小補(bǔ)償電容，但較小補(bǔ)償電容將增大噪聲增益，導(dǎo)致輸出更大噪聲，降低分辨率，如圖 4 所示。
圖 4：補(bǔ)償電容對(duì)噪聲增益的影響
圖 5：光電二極管終端電容器對(duì)電路噪聲增益曲線的影響
從圖 5 可以明顯看出，對(duì)于較小光電二極管電容而言，總體噪聲更理想。因此我們需要選擇電容較小的光電二極管。結(jié)點(diǎn)電容與擴(kuò)散面積成正比，與耗盡區(qū)寬度成反比。擴(kuò)散面積與靈敏度成正比。如果通過(guò)縮小耗盡區(qū)來(lái)降低結(jié)點(diǎn)電容，也會(huì)導(dǎo)致光電二極管靈敏度下降。在這種情況下，我們需要增大互阻抗來(lái)放大信號(hào)。使用極大值的反饋電阻器對(duì)電路性能不利，原因有幾個(gè)。首先我們可以看到，使用較大反饋電阻器增大了噪聲帶寬，而且電阻器本身也在電路中產(chǎn)生了額外的熱噪聲(見(jiàn)圖 3)。其次，如果我們使用極大的電阻器來(lái)確保帶寬，我們就必須使用較小的補(bǔ)償電容。圖 4 是使用較小補(bǔ)償電容會(huì)增大噪聲增益的情況。最后，大型電阻器及二極管的暗電流還會(huì)在輸出端造成較大的失調(diào)，其將限制電路的動(dòng)態(tài)范圍。
此外，該電容還取決于反向偏置電壓。在光電二極管上應(yīng)用反向電壓以減少結(jié)點(diǎn)電容，從而降低噪聲，是一種值得考慮的方法。但仍然需要注意來(lái)自反向偏置電壓源的噪聲。我們可使用 LPF 濾除偏置噪聲。該 LPF 必須使用小阻值電阻器，以防止調(diào)制光電二極管上的電壓。
圖 6：摘自產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的 S2551 規(guī)范
圖 7：OPA314 的主要規(guī)范
這是一款支持 0.2pA 偏置電流的軌至軌輸入輸出放大器。3MHz 單位穩(wěn)定 GBW 放大器只有 150uA 的靜態(tài)電流。內(nèi)部 RF/EMI 濾波器可在惡劣電磁環(huán)境中提高電路性能。其低噪聲與低失調(diào)可滿足該應(yīng)用需求。
因此 OPA314 是滿足該需求的理想選擇。盡管如此，我們?nèi)匀恍枰褂盟x放大器的真實(shí)規(guī)范再次驗(yàn)證：
圖 8：仿真電路
圖 9：設(shè)計(jì)電路仿真輸出
總結(jié)
本文主要介紹了如何為光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用選擇放大器、反饋電阻器及補(bǔ)償電容器，并介紹了用于幫助我們?yōu)槿魏喂怆姸䴓O管或放大器選擇組件的六步選擇法。隨后還提供了一個(gè)真實(shí)電路設(shè)計(jì)與仿真案例，用于演示該六步選擇法。它為在互阻抗電路設(shè)計(jì)中選擇和優(yōu)化噪聲相關(guān)型組件提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法。但由于優(yōu)化值并未考慮印刷電路板寄生因素，在許多實(shí)際案例中可能需要進(jìn)行調(diào)整。在互阻抗電路輸出之后使用一個(gè) LPF 還可降低噪聲。 |
