光電二極管是許多基于光的測量中最受歡迎的傳感器類型之一。吸收和發(fā)射光譜、色度測量、濁度、氣體檢測等應(yīng)用都依賴于光電二極管進(jìn)行精密光測量。

光電二極管產(chǎn)生的電流與照射到其有效區(qū)域的光成比例。大多數(shù)測量應(yīng)用涉及使用跨阻放大器將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。圖1顯示了電路的簡化原理圖。

圖1.簡單的跨阻放大器電路。

該電路在光伏模式下工作光電二極管，其中運(yùn)算放大器將光電二極管兩端的電壓保持在0 V。這是精密應(yīng)用中最常見的配置。光電二極管的電壓與電流曲線與常規(guī)二極管非常相似，不同之處在于整個(gè)曲線會(huì)隨著光照水平的變化而向上或向下移動(dòng)。圖2a顯示了典型的光電二極管傳遞函數(shù)。圖2b是傳遞函數(shù)的放大圖，顯示了光電二極管如何在沒有光的情況下輸出小電流。這種“暗電流”隨著光電二極管兩端反向電壓的增加而增長。大多數(shù)制造商指定光電二極管暗電流的反向電壓為10 mV。

圖2.典型的光電二極管傳遞函數(shù)。

當(dāng)光線照射到光電二極管的有效區(qū)域時(shí)，電流從陰極流向陽極。理想情況下，所有光電二極管電流流過圖1所示的反饋電阻，產(chǎn)生的輸出電壓等于光電二極管電流乘以反饋電阻。該電路在概念上很簡單，但您必須解決一些挑戰(zhàn)才能從系統(tǒng)中獲得最佳性能。

DC 注意事項(xiàng)

第一個(gè)挑戰(zhàn)是選擇具有符合應(yīng)用要求的直流規(guī)格的運(yùn)算放大器。大多數(shù)精密應(yīng)用在列表頂部具有低輸入失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電壓出現(xiàn)在放大器的輸出端，導(dǎo)致整體系統(tǒng)誤差，但在光電二極管放大器中，它會(huì)產(chǎn)生額外的誤差。輸入失調(diào)電壓出現(xiàn)在光電二極管兩端，導(dǎo)致暗電流增加，從而進(jìn)一步增加系統(tǒng)失調(diào)誤差。您可以通過軟件校準(zhǔn)、交流耦合或兩者的組合來消除初始直流失調(diào)，但較大的失調(diào)誤差會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。幸運(yùn)的是，有多種運(yùn)算放大器可供選擇，其輸入失調(diào)電壓在數(shù)百甚至數(shù)十微伏。

下一個(gè)重要的直流規(guī)格是運(yùn)算放大器的輸入漏電流。進(jìn)入運(yùn)算放大器輸入端或通過反饋電阻以外的其他任何位置的任何電流都會(huì)導(dǎo)致測量誤差。沒有零輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，但一些CMOS或JFET輸入運(yùn)算放大器接近。例如，AD8615在室溫下的最大輸入偏置電流為1 pA。經(jīng)典AD549的最大輸入偏置電流為60 fA，經(jīng)過保證和生產(chǎn)測試。FET輸入放大器的輸入偏置電流隨著溫度的升高呈指數(shù)級(jí)增長。許多運(yùn)算放大器的規(guī)格為85°C或125°C，但對于那些沒有的，一個(gè)很好的近似值是，溫度每升高10度，電流就會(huì)翻倍。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)電路和布局，以最大限度地減少可能破壞低輸入偏置電流運(yùn)算放大器性能的外部泄漏路徑。最常見的外部泄漏路徑是通過印刷電路板本身。例如，圖3顯示了圖1的光電二極管放大器原理圖的一種可能布局。粉紅色走線是+5 V電源軌，為放大器供電并斷開到電路板的其他部分。如果+5 V走線和承載光電二極管電流的走線之間的電路板電阻為5 GΩ（顯示為RL在圖3中，1 nA電流將從+5 V走線流入放大器。這顯然會(huì)破壞為應(yīng)用仔細(xì)選擇1 pA運(yùn)算放大器的目的。最小化這種外部泄漏路徑的一種方法是增加承載光電二極管電流的走線與任何其他走線之間的電阻。這可以像在跟蹤周圍添加大型路由禁止項(xiàng)一樣簡單，以增加與其他跟蹤的距離。對于某些極端應(yīng)用，一些工程師將完全消除PCB布線，并將光電二極管引線穿過空氣直接送入運(yùn)算放大器的輸入引腳。

圖3.帶泄漏路徑的光電二極管布局。

防止外部泄漏的另一種方法是在承載光電二極管電流的走線附近運(yùn)行保護(hù)走線，確保兩者被驅(qū)動(dòng)到相同的電壓。圖4顯示了承載光電二極管電流的網(wǎng)絡(luò)周圍的保護(hù)跡線。由+5 V走線引起的漏電流現(xiàn)在流經(jīng)RL進(jìn)入保護(hù)走線，而不是進(jìn)入放大器。在該電路中，保護(hù)走線和輸入走線之間的電壓差僅由運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓引起，這也是選擇低輸入失調(diào)電壓放大器的另一個(gè)原因。

圖4.使用保護(hù)走線減少外部泄漏。

交流注意事項(xiàng)

雖然大多數(shù)精密光電二極管應(yīng)用往往是低速的，但我們?nèi)匀恍枰_保系統(tǒng)的交流性能足以滿足應(yīng)用的需求。這里的兩個(gè)主要問題是信號(hào)帶寬（或閉環(huán)帶寬）和噪聲帶寬。

閉環(huán)帶寬取決于放大器的開環(huán)帶寬、增益電阻和總輸入電容。光電二極管輸入電容變化很大，從高速光電二極管的幾皮法到超大面積精密光電二極管的幾千皮法。但是，在運(yùn)算放大器輸入端增加電容會(huì)導(dǎo)致其變得不穩(wěn)定，除非通過增加反饋電阻兩端的電容來補(bǔ)償它。反饋電容限制了系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。您可以使用公式1計(jì)算最大可能的閉環(huán)帶寬，該帶寬將導(dǎo)致相位裕量為45度。

哪里：

fU是放大器的單位增益頻率。

RF是反饋電阻。

C在是輸入電容，包括二極管電容和電路板上的任何其他寄生電容等。

CM是運(yùn)算放大器的共模電容。

CD是運(yùn)算放大器的差分電容。

例如，如果您的應(yīng)用具有15 pF的光電二極管電容和1 MΩ的跨阻增益，公式1預(yù)測您需要一個(gè)單位增益帶寬約為95 MHz的放大器才能實(shí)現(xiàn)1 MHz的信號(hào)帶寬。這是具有45°的相位裕量，這將在信號(hào)階躍變化期間引起峰值。您可能希望通過設(shè)計(jì)60°或更高的相位裕量來減少峰值，這需要更快的放大器。這就是為什么像ADA4817-1這樣的器件具有20 pA的最大輸入偏置電流和約400 MHz的單位增益頻率，非常適合高增益光電二極管應(yīng)用，即使對于中等帶寬也是如此。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，光電二極管電容將主導(dǎo)總輸入電容，但某些應(yīng)用在選擇具有極低輸入電容的運(yùn)算放大器時(shí)可能需要格外小心。為了解決這個(gè)問題，一些運(yùn)算放大器提供了旨在降低輸入電容的特殊引腳排列。例如，圖5顯示了ADA4817-1的引腳排列，該引腳排列將運(yùn)算放大器輸出路由到反相輸入附近的引腳。

圖5.ADA4817-1引腳排列針對低寄生電容進(jìn)行了優(yōu)化。

使用光電二極管設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)噪聲通常是另一個(gè)挑戰(zhàn)。輸出噪聲的主要貢獻(xiàn)因素是放大器的輸入電壓噪聲和反饋電阻的約翰遜噪聲。來自反饋電阻的噪聲出現(xiàn)在輸出端，無需額外放大。如果增加電阻的大小以放大光電二極管電流，則增益電阻引起的噪聲增加只會(huì)增加電阻值增加的平方根。實(shí)際上，這意味著在光電二極管放大器中增加盡可能多的增益是有益的，而不是增加第二個(gè)放大器級(jí)，后者的噪聲將隨增益線性增加。

放大器的輸出噪聲是輸入電壓噪聲乘以放大器的噪聲增益。噪聲增益不僅由反饋電阻決定，還由反饋和輸入電容決定，因此在整個(gè)頻率范圍內(nèi)不是恒定的。圖6顯示了放大器噪聲增益與頻率的典型關(guān)系圖，其中閉環(huán)增益疊加以供參考。從該圖中可以了解到的兩件事是，輸出噪聲在某些頻率下增加，以及噪聲峰值可能超出放大器閉環(huán)截止帶寬的頻率范圍。

圖6.光電二極管放大器的噪聲增益在較高頻率下增加。

由于無法利用此帶寬，因此請使用設(shè)置為放大器信號(hào)帶寬的低通濾波器來降低噪聲。

使用可編程增益擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍

由于反饋電阻的約翰遜噪聲隨電阻的平方根而增加，因此在光電二極管放大器中而不是在第二級(jí)中具有盡可能多的增益是有意義的。您可以更進(jìn)一步，在光電二極管放大器中添加可編程增益，如圖7所示。

圖7.可編程增益光電二極管放大器的概念。

開關(guān) S1選擇所需的反饋路徑，以便為不同的信號(hào)選擇最佳增益。不幸的是，模擬開關(guān)具有導(dǎo)通電阻，這將給我們的電路帶來增益誤差。該導(dǎo)通電阻會(huì)隨著施加的電壓、溫度和其他因素而變化，因此您必須找到一種方法將其從電路中消除。圖8顯示了如何使用兩組開關(guān)來消除反饋環(huán)路中導(dǎo)通電阻引起的誤差。使用該電路，反饋環(huán)路內(nèi)有一個(gè)開關(guān)，如圖7所示，但不是查看放大器輸出端的電壓，而是開關(guān)S。2將電路輸出直接連接到增益電阻。這消除了由于電流流過開關(guān)S而導(dǎo)致的任何增益誤差1.使用該電路時(shí)的權(quán)衡之一是輸出不再具有與放大器輸出相關(guān)的極低阻抗，因?yàn)樗?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/多路復(fù)用器/" target="_blank">多路復(fù)用器S的導(dǎo)通電阻2.如果下一級(jí)具有高阻抗輸入，例如使用ADC驅(qū)動(dòng)器，這通常不是一個(gè)大問題。

圖8.使用兩組開關(guān)可減少由于環(huán)路內(nèi)的額外電阻而導(dǎo)致的誤差。

使用調(diào)制和同步檢測來降低噪聲

許多精密應(yīng)用涉及測量通過樣品吸收或反射的直流光水平。

雖然某些應(yīng)用允許屏蔽所有環(huán)境光，但許多其他系統(tǒng)（主要是在工業(yè)環(huán)境中）必須在環(huán)境光下運(yùn)行。在這種情況下，您可以調(diào)制光源并使用同步檢測將信號(hào)從電和光干擾最高的低頻頻譜移開。最簡單的調(diào)制形式是快速打開和關(guān)閉光源。根據(jù)光源的不同，您可以對其進(jìn)行電子調(diào)制，或者像一些較舊的儀器一樣，您可以使用機(jī)械斬波器以給定的速率阻擋光線。

例如，如果您有興趣測量通過物質(zhì)的光吸收以確定濃度，則可以在幾kHz處斬波光源。圖9顯示了這如何使測量遠(yuǎn)離大多數(shù)環(huán)境中通常存在的大多數(shù)低頻光污染，例如由于一天中的時(shí)間引起的環(huán)境光水平變化，50 Hz/60 Hz熒光燈等。

圖9.對輸入信號(hào)進(jìn)行斬波可將信息移動(dòng)到斬波頻率并遠(yuǎn)離環(huán)境噪聲。

由于您可以控制調(diào)制信號(hào)的頻率，因此可以使用相同的時(shí)鐘同步解調(diào)接收到的光。圖10所示電路是一個(gè)非常簡單的同步解調(diào)器。光電二極管放大器輸出端的電壓是交流耦合的，然后通過一個(gè)可編程增益為+1和–1的放大器。增益開關(guān)同步，在預(yù)計(jì)燈亮?xí)r將增益精確設(shè)置為 +1，在預(yù)計(jì)燈熄滅時(shí)將增益設(shè)置為 –1。理想情況下，輸出將是對應(yīng)于光脈沖幅度的直流電壓。低通濾波器抑制與調(diào)制時(shí)鐘不同步的任何其他信號(hào)。低通濾波器的截止頻率相當(dāng)于帶通濾波器在調(diào)制頻率周圍的寬度。例如，如果調(diào)制頻率為5 kHz，而您使用帶寬為10 Hz的低通濾波器，則電路輸出將傳遞4.99 kHz至5.01 kHz的信號(hào)。降低低通濾波器帶寬會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的抑制，但代價(jià)是建立時(shí)間較慢。

圖 10.同步檢測電路。

圖 9 還顯示了使用切碎時(shí)的另一個(gè)注意事項(xiàng)。得到的波形不是頻域中的一條線（這需要正弦波），而是斬波頻率及其奇次諧波的一條線。斬波頻率奇次諧波處存在的任何噪聲都將以最小的衰減出現(xiàn)在輸出端。您可以使用正弦波調(diào)制完全消除這種情況，但這需要更復(fù)雜或更昂貴的電路。另一種解決方案是選擇一個(gè)古怪的基頻，其諧波不與任何已知的干擾源重合。您還可以在固件中實(shí)現(xiàn)圖 10 的相同功能。您可以與調(diào)制時(shí)鐘同步對斬波光信號(hào)進(jìn)行采樣，并使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提取目標(biāo)頻率的幅度信息。

結(jié)論

光電二極管放大器是大多數(shù)精密光學(xué)測量系統(tǒng)的重要組成部分。選擇合適的運(yùn)算放大器是獲得最佳系統(tǒng)性能的重要第一步，使用其他性能增強(qiáng)技術(shù)（如使用可編程增益和同步檢測）有助于提高動(dòng)態(tài)范圍并抑制噪聲。

審核編輯：郭婷