光電二極管檢測電路的組成及工作原理

1、光電二極管及其相關(guān)的前置放大器是基本物理量和電子量之間的橋梁。許多精密應用領(lǐng)域需要檢測光亮度并將之轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)字信號。光檢測電路可用于CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測器、位置傳感器、紅外高溫計和色譜分析儀等系統(tǒng)中。在這些電路中光電二極管產(chǎn)生一個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)換為一個可用的電壓信號。看起來好象用一個光電二極管、一個放大器和一個電阻便能輕易地實現(xiàn)簡單的電流至電壓的轉(zhuǎn)換但這種應用電路

2、卻提出了一個問題的多個側(cè)面。為了進一步擴展應用前景單電源電路還在電路的運行、穩(wěn)定性及噪聲處理方面顯示出新的限制。本文將分析并通過模擬驗證這種典型應用電路的穩(wěn)定性及噪聲性能。首先探討電路工作原理然后如果讀者有機會的話可以運行一個SPICE模擬程序它會很形象地說明電路原理。以上兩步是完成設(shè)計過程的開始。第三步也是最重要的一步（本文未作討論）是制作實驗模擬板。1光檢測電路的基本組成和工作原理光檢測電路的基本組成和工作原理設(shè)計一個精密的光檢測電

3、路最常用的方法是將一個光電二極管跨接在一個CMOS輸入放大器的輸入端和反饋環(huán)路的電阻之間。這種方式的單電源電路示于圖1中。在該電路中光電二極管工作于光致電壓（零偏置）方式。光電二極管上的入射光使之產(chǎn)生的電流ISC從負極流至正極如圖中所示。由于CMOS放大器反相輸入端的輸入阻抗非常高二極管產(chǎn)生的電流將流過反饋電阻RF。輸出電壓會隨著電阻RF兩端的壓降而變化。圖中的放大系統(tǒng)將電流轉(zhuǎn)換為電壓即VOUT=ISCRF（1）圖1單電源光電二極管檢測

4、電路式（1）中VOUT是運算放大器輸出端的電壓單位為VISC是光電二極管產(chǎn)生的電流單位為ARF是放大器電路中的反饋電阻單位為W。圖1中的CRF是電阻RF的寄生電容和電路板的分布電容且具有一個單極點為1（2pRFCRF）。用SPICE可在一定頻率范圍內(nèi)模擬從光到電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系。模擬中可選的變量是放大器的反饋元件RF。用這個模擬程序激勵信號源為ISC輸出端電壓為VOUT。此例中RF的缺省值為1MWCRF為0.5pF。理想的光電二極管模型包括

5、一個二極管和理想的電流源。給出這些值后傳輸函數(shù)中的極點等于1（2pRFCRF）即318.3kHz。改變RF可在信號頻響范圍內(nèi)改變極點。工作于光致電壓方式下的光電二極管上沒有壓降即為零偏置。在這種方式中為了光靈敏度及線性度二極管被應用到最大限度并適用于精密應用領(lǐng)域。影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD它們會影響光檢測電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。結(jié)電容CPD是由光電二極管的P型和N型材料之間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層窄結(jié)電容的值大。相

6、反較寬的耗盡層（如PIN光電二極管）會表現(xiàn)出較寬的頻譜響應。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約從20或25pF到幾千pF以上。結(jié)電容對穩(wěn)定性、帶寬和噪聲等性能產(chǎn)生的重要影響將在下面討論。在光電二極管的數(shù)據(jù)手冊中寄生電阻RPD也稱作“分流”電阻或“暗”電阻。該電阻與光電二極管零偏或正偏有關(guān)。在室溫下該電阻的典型值可超過100MW。對于大多數(shù)應用該電阻的影響可被忽略。分流電阻RPD是主要的噪聲源這種噪聲在圖2中示為ePD。RPD產(chǎn)生的噪聲稱作散粒

7、噪聲（熱噪聲）是由于載流子熱運動產(chǎn)生的。二極管的第二個寄生電阻RS稱為串聯(lián)電阻其典型值從10W到1000W。由于此電阻值很小它僅對電路的頻率響應有影響。光電二極管的漏電流IL是引發(fā)誤差的第四個因素。如果放大器的失調(diào)電壓為零這種誤差很小。與光致電壓方式相反光致電導方式中的光電二極管具有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當此電壓加至光檢測器上時耗盡層的寬度會增加從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作然而線性度

8、和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個問題的折衷設(shè)計將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。下面將集中討論光致電壓方式下的光電二極管的應用領(lǐng)域。2.2運放的運放的SPICE模型模型運算放大器具有范圍較寬的技術(shù)指標及性能參數(shù)它對光檢測電路的穩(wěn)定性和噪聲性能影響很少。其主要參數(shù)示于圖3的模型中它包括一個噪聲源電壓、每個輸入端的寄生共模電容、輸入端之間的寄生電容及與頻率有關(guān)的開環(huán)增益。輸入差分電容CDIFF和輸入共模電容CCM是直接影響電路穩(wěn)定性和噪聲性能的