光电二极管前置放大器设计

1、光电二极管前置放大器设计许多常用传感器的输出阻抗超过几兆欧，因此，其相应的信号调理电路必须仔细设计，以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求。本文分析介绍光电二极管前置放大器，文中讨论了与高阻抗传感器信号调理电路有关的问题，并提供了实际解决方案。光电二极管前置放大器设计光电二极管在受到光照时，会产生一个与照度成正比的小电流，因此是很好的光电传感器，可广泛应用于精密光度计、高速光纤接收器等领域。光电二极管的等效电路如图1所示。光电二极管灵敏度的标准规定方法之一是对来自严格定义的光源给定的光强确定它的短路电流S最常用的光源是工作在色温下的白炽钨灯。在呎烛光照度相当于阴天的光强下,对于小面积小于二极管

2、的短路电流通常是数皮安到数百微安M)短路电流在69个数量级的光强范围呈理想线性变化，因此常被用作绝对光强的测量。光电二极管两端的开路电压随光强呈对数变化，但因为其温度系数很大，所以二极管电压很少用于光强的精密测量。分路电阻在室温下通常是Q左右,且温度每增加C就减少/二极管电容随结面积和二极管偏压而变化，对于结面积很小的二极管，零偏压时的典型是光电二极管可以以两种模式工作,一是零偏置工作光伏模式如图,一是反偏置工作光导模式如图b在光伏模式时，光电二极管可非常精确地线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲线性。在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流，叫做暗电流（无

3、照电流）。在零偏置时则没有暗电流，这时二极管噪声基本上是分路电阻产生的热噪声。在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。在设计光电二极管过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的，而不是两种模式的使用都是最优化。将光电二极管电流转换为可用电压的简便方法,是用一个运算放大器作为电流电压转换器（如图3所示）。二极管偏置由运算放大器的虚地维持在零电压，短路电流即被转换为电压。在最高灵敏度时，该放大器必须能检测的二极管电流。这意味着反馈电阻必须非常大，而放大器偏置电流必须极小。例如，对于的偏置电流，Q反馈电阻将产生的相应电压。因为再大的电阻是不切实际的，所以对于最高灵敏度的情况

4、使用Q。这样对于的二极管电流，放大器将给出输出电压；而对于的二极管电流，输出电压为。这样便给出的动态范围。对于更大的光强值，必须使用较小的反馈电阻来降低电路增益。对于这个最高灵敏度范围，我们应能很容易区分无月夜的光强和满月夜的光强。TVhiasffl2先电二极菅工作建成沁W低唏丹GUARDJNVFBTPH21ww3hr2:PACKAGETn:;nfi:：:LiJ!HLLOWRR77图6保护DIP封装的印紂电跑抚:乍场GUAkl1M*UTGVAWnAD795u.RR*PACKAGEJ3司INVFJtTtRGLAkl)INPUTGLAkD图7保护SO【C封就印制电芬机右同BENTINPUTPINP

5、IN：FORINVERTER图8与“没有玷污过的初聚四叙乙烯隔离绝缘子相连於处化刖田9AD795前JE放丸器的宜冰畑良要精确测量数10A范围的光电二极管电流，运算放大器的偏置电流不应大于数皮安，这就大大缩小了选择的余地。工业标准的0是一种超低失调电压（10pV）的双极型运算放大器，但是其偏置电流达nA（000A尽管带偏置电流补偿的超双极型运算放大器（例如），在室温下的偏置电流大约有100A但是因为它不象那样温度每升高10C偏置电流就增加一倍戶斤以对于很高温度下的应用很合适。我们选择带输入的“静电计级”运算放大器作为光电二极管前置放大器，因为它必须只工作在指定的温度范围内。这类器件采用工艺制造，

6、使用沟道结型场效应晶体管作为输入级（参见图）运算放大器电路的其余部分使用双极型运算放大器设计。为使失调电压和失调电压漂移减至最小，运算放大器在芯片工艺中采用了激光微调技术。失调电压漂移通过下列调整过程减至最小：首先微调输入级，使构成一对差动电路的两个中的电流相等；然后，微调源电阻，将输入失调电压减至最小。选择A作为光电二极管前置放大器，其主要性能如下：失调电压：在5C时，最大为50V（级）失调电压漂移：最大为MV/C（级）输入偏置电流：在5C时，最大为1A（级）0.1-10Hz电压噪声：.MV1/f转折频率：1Hz电压噪声：在100Hz处为10nV/VHz电流噪声：在100Hz处为0.6fA/

7、VHz在15V时的功耗为0增益带宽乘积1Hz因为二极管电流以A为单位测量的，所以必须特别注意实际电路中潜在的泄漏路径。对于高质量、清洁的环氧树脂印制电路板上的两条相距0.05英寸的平行导线，在15C时1英寸长的平行布线的漏电阻约为1011欧姆，如果在它们间存在15V的电压，便会有150A的电流流过。光电二极管的主要泄漏路径如图5中的虚线所框。反馈电阻应采用有玻璃绝缘的陶瓷电阻或玻璃上的薄膜电阻。跨接在反馈电阻两端的补偿电容器应具有聚丙烯或聚苯乙烯介质。与汇合结点的所有连线应足够短。如果用电缆将光电二极管和前置放大器相连接，则电缆应尽量短且用聚四氟乙烯绝缘。通过将放大器的输入与印制电路板上的大电

8、压梯度进行隔离的防护方法，可以减少寄生泄漏电流。实际上，防护方法就是在输入线周围并上升到线路电压的低阻抗导线。它通过将泄漏电流转移到远离灵敏结点处而对泄漏电容起缓冲作用。究竟采用哪种保护技术取决于工作方式即反相或同相方式。图示出一种用来保护DIP（“N”型）封装的D运算放大器输入的印制电路板布置。应该注意到这种封装的引脚间隔允许布线在引脚之间通过。在反相工作方式下保护印制线围绕倒相输入（引脚且走向与输入印制线平行在跟随器工作方式下保护电压是到倒相输入引脚的反锁电压。在两种工作方式下保护印制线应尽可能处在印制电路板的两侧并连在一起。将保护技术用于SOIC表面要装（“R”）封装时由于引脚的间隔不允

9、许在引脚之间容纳印制电路的宽印制线所以情况要稍微复杂一些。图示出一种优选的方法。在SOIC“R”封装中引脚、引脚和引脚是不连接”引脚可用于信号路径印制线（如图所示）。在跟随器的情况下保护印制线必须绕过引脚。对于偏流极小的应用场合（如利用输入偏流为的D的场合）所有与该运算放大器输入端的连线都应接到没有玷污过的聚四氟乙烯隔离绝缘子上（“没有玷污过的”聚四氟乙烯是指已加工成形但未玷污上粉末或颗粒灰尘的一块洁净的固体聚四氟乙烯材料）。如果从机械加工和制造考虑允许的话,则运算放大器的反相输入端应直接焊到聚四氟乙烯隔离绝缘子上（见图8）而,不穿过印制电路板上的通孔。印制电路板本身需仔细清洁,然后用优质涂覆材料加以密封,防止湿气和灰尘侵入。H讨KMlOMiJmfUTOFFHTKANi：(jAISmVpANOISK:RMSIOOM)NOISE除将泄漏电流减至最小之外,整个电路应当用接地金属屏进行良好屏蔽,以防接收杂散信号。前置放大器的失调电压和漂移分析图9示出光电二极管前置放大器的失调电压和偏流模型。在这个电路中有两点重要考虑。首先,二极管分流电阻R随温度而变一每当温度升高C时其阻值便减小一半。在室温2C下RQ而在C