精密光電二極管傳感器電路優(yōu)化設(shè)計

光電二極管是很多光學測量中最常用的傳感器類型之一。諸如吸收和發(fā)射光譜、色彩測量、渾濁度、氣體探測等應用均有賴于光電二極管實現(xiàn)精密光學測量。

光電二極管產(chǎn)生與照射到活動區(qū)的光量成比例的電流。大多數(shù)測量應用都需要用到跨阻放大器，以便將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。圖1顯示電路的原理示意圖。

圖1. 簡單跨阻放大器電路

該電路的光電二極管在光伏模式下工作，其中運算放大器保持光電二極管上的電壓為0 V。這是精密應用中最常見的配置。光電二極管的電壓與電流關(guān)系曲線十分類似于常規(guī)二極管，但前者的整條曲線會隨著光照水平的變化而向上或向下平移。圖2a顯示典型的光電二極管傳遞函數(shù)。圖2b是傳遞函數(shù)放大后的圖形，表明哪怕在沒有光的情況下，光電二極管也會輸出少量電流。這種暗電流會隨著光電二極管上的反向電壓增加而上升。大部分制造商在反向電壓為10 mV的前提下給出光電二極管的暗電流。

圖2. 典型光電二極管傳遞函數(shù)

光照射到光電二極管的活動區(qū)后，電流從陰極流向陽極。理想情況下，所有的光電二極管電流都流經(jīng)圖1中的反饋電阻，產(chǎn)生數(shù)值等于光電二極管電流乘以反饋電阻的反饋電壓。該電路在原理上很簡單，但若要系統(tǒng)具備優(yōu)質(zhì)性能則必須解決一些難題。

直流考慮因素

第一個難題是選擇直流規(guī)格匹配應用要求的運算放大器。對大部分應用來說，低輸入失調(diào)電壓是最重要的規(guī)格。放大器輸出端存在輸入失調(diào)電壓，該失調(diào)電壓會增加系統(tǒng)總誤差；而在光電二極管放大器中，它還會產(chǎn)生其他誤差。光電二極管上存在輸入失調(diào)電壓，產(chǎn)生更多暗電流，進一步增加系統(tǒng)失調(diào)誤差。通過軟件校準、交流耦合——或者兩者兼用——消除初始直流失調(diào)，但較大的失調(diào)誤差會縮小系統(tǒng)動態(tài)范圍。幸運的是，輸入失調(diào)電壓在幾百mV甚至幾十mV的范圍內(nèi)，有大量的運算放大器可供選擇。

第二重要的直流規(guī)格是運算放大器的輸入漏電流。電流進入運算放大器輸入端，或者進入反饋電阻以外的任何地方，都會產(chǎn)生測量誤差。具有零輸入偏置電流的運算放大器是不存在的，但某些CMOS或JFET輸入運算放大器非常接近這個數(shù)值。例如，在室溫下，AD8615的最大輸入偏置電流為1 pA。AD549最大輸入偏置電流為60 fA，該數(shù)值得到保證并經(jīng)過生產(chǎn)測試。FET輸入放大器的輸入偏置電流隨溫度升高而呈指數(shù)上升。很多運算放大器提供85°C或125°C下的規(guī)格；但如果未提供，則一種較好的近似是溫度每升高十度，電流就翻倍。

另一個難題是設(shè)計電路并進行布局，從而較大程度降低外部漏電流路徑——漏電流會影響低輸入偏置電流運算放大器性能。最常用的外部漏電流路徑是印刷電路板本身。例如，圖3顯示圖1中光電二極管放大器的一種可行布局。粉紅色的走線表示+5 V供電軌，為放大器供電并將電能輸送至電路板的其余部分。如果在+5 V走線以及搭載光電二極管電流的走線之間電阻等于5 G(圖3中以RL表示)，那么1 nA電流將從+5 V走線流入放大器。顯然，這與應用中仔細選擇1 pA運算放大器的目標相違背。較大程度縮短外部漏電流路徑的一種方法是增加搭載光電二極管電流的走線與任何其他走線之間的電阻。這可能如同在走線周圍加入一個較大的路由禁區(qū)以便增加與其他走線之間距離那樣方便。在某些極端應用中，有的工程師會一并取消PCB走線，將光電二極管引線暴露在空氣中并與運算放大器輸入端引腳直接相連。

圖3. 帶漏電流路徑的光電二極管布局

防止外部漏電流的另一種方法是在搭載光電二極管電流的走線旁布局一個保護走線，并確保兩條走線均驅(qū)動至相同的電壓。圖4顯示搭載光電二極管電流的網(wǎng)絡(luò)周圍的保護走線。+5 V走線產(chǎn)生的漏電流隨后通過RL流入保護走線，而非流入放大器。在該電路中，保護走線和輸入走線之間的壓差僅與運算放大器的輸入失調(diào)電壓有關(guān)——這就是為什么要選用低輸入失調(diào)電壓放大器的又一個原因。

圖4. 使用保護走線降低外部漏電流

交流考慮因素

雖然大部分精密光電二極管應用的工作速率較低，但我們依然需要保證針對該應用，系統(tǒng)具有足夠的交流性能。這里，兩個最大的問題是信號帶寬(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范圍可從數(shù)pF(高速光電二極管)到幾千pF(面積極大的精密光電二極管)。然而，在運算放大器的輸入端加入電容會使它變得不穩(wěn)定，除非在反饋電阻上添加電容進行補償。反饋電容限制系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬?？梢允褂玫仁?計算導致45°相位裕量的最大可能閉環(huán)帶寬。

其中：

fU 是放大器的單位增益頻率。

RF 是反饋電阻。

CIN 是輸入電容，包括二極管電容和電路板上的其他所有寄生電容等。

CM 是運算放大器的共模電容。

CD 是運算放大器的差分電容。

例如，假設(shè)應用中的光電二極管電容為15 pF且跨阻增益為1 M，則等式1預計您將需要單位增益帶寬約為95 MHz的放大器，才能獲得1 MHz信號帶寬。這是相位裕量為45°時的情況，此時在信號階躍發(fā)生變化時會產(chǎn)生峰化。您可能希望通過設(shè)計60°或更高的相位裕量來降低峰化，這便要求使用速度更快的放大器。因此，諸如ADA4817-1等具有20 pA最大輸入偏置電流和400 MHz左右單位增益頻率的器件適用于高增益光電二極管應用，甚至對中等帶寬的應用也同樣適用。

在多數(shù)系統(tǒng)中，光電二極管電容占總輸入電容的絕大部分，但某些應用在選擇極低輸入電容的運算放大器時需分外仔細。為了解決這個問題，某些運算放大器提供特殊的引腳排列，以降低輸入電容。例如，圖5顯示ADA4817-1s引腳排列，可將運算放大器輸出路由至反相輸入的相鄰引腳。

圖5. ADA4817-1引腳排列針對低寄生電容優(yōu)化

采用光電二極管進行設(shè)計時，系統(tǒng)噪聲通常是又一個難題。輸出噪聲主要由放大器輸入電壓噪聲和反饋電阻約翰遜噪聲導致。來自反饋電阻的噪聲出現(xiàn)在輸出端，且無額外的放大效應。如果增加電阻值以便放大光電二極管電流，則增益電阻導致的噪聲將僅增加電阻值增加量的平方根。實際上，這意味著光電二極管放大器增益越大越有好處，因為若采用第二個放大器級，則噪聲會隨著增益的增加而線性增加。

放大器輸出噪聲等于輸入電壓噪聲乘以放大器噪聲增益。噪聲增益不僅由反饋電阻確定，同時還由反饋和輸入電容確定，因此它在整個頻率范圍內(nèi)是變化的。圖6顯示放大器噪聲增益與頻率關(guān)系的典型曲線，并疊加了閉環(huán)增益供參考?？蓮脑撉€中了解到兩件事：輸出噪聲在某些頻率下會增加，以及頻率范圍——在該范圍內(nèi)噪聲峰值高于放大器閉環(huán)截止頻率。

圖6. 光電二極管放大器的噪聲增益會在較高的頻率下增加

由于無法利用該帶寬，因此可以采用設(shè)置為放大器信號帶寬的低通濾波器來降低該噪聲。

采用可編程增益擴展動態(tài)范圍

由于反饋電阻的約翰遜噪聲隨電阻的平方根值而增加，因此相比于使用第二個放大器級，光電二極管放大器中的增益越高越好。如圖7所示，通過向光電二極管放大器中加入可編程增益，便可使該想法更進一步。

圖7. 可編程增益光電二極管放大器概念

開關(guān)S1選擇所需的反饋路徑，因此您可以為不同信號選擇最優(yōu)增益。不幸的是，模擬開關(guān)的導通電阻會使電路產(chǎn)生增益誤差。該導通電阻將隨施加的電壓、溫度等的變化而發(fā)生改變，因此您必須找到將其從電路消除的方法。圖8顯示如何使用兩組開關(guān)移除反饋環(huán)路中導通電阻產(chǎn)生的誤差。該電路在反饋環(huán)路內(nèi)部有一個開關(guān)，如圖7所示；但開關(guān)S2將電路輸出直接與增益電阻相連，而不管放大器輸出電壓。它可以消除由于電流流過開關(guān)S1而產(chǎn)生的任何增益誤差。使用該電路的代價之一是輸出不再具有與放大器輸出有關(guān)的低阻抗，因為它包括多路復用器S2的導通電阻。如果下一級具有高阻抗輸入(比如采用ADC驅(qū)動器)，那么這通常沒什么問題。

圖8. 使用兩組開關(guān)降低環(huán)路內(nèi)額外電阻產(chǎn)生的誤差

使用調(diào)制和同步檢測降低噪聲

很多精密應用都需測量通過樣本吸收或反射的直流光照水平。

雖然某些應用允許對全部環(huán)境光進行屏蔽，很多其他系統(tǒng)(主要在工業(yè)環(huán)境中)不得不暴露在環(huán)境光下。此時，可以調(diào)制光源并使用同步檢測，使您的信號遠離低頻頻譜；而電氣干擾和光學干擾在低頻頻譜中最為嚴重。簡單的調(diào)制方式是快速開關(guān)光源。取決于具體光源，可對其進行電子調(diào)制，或者像某些較老的儀器儀表那樣使用機械斬波器在給定速率下阻擋光線。

例如，如果您對測量某種物質(zhì)的光吸收并確定其濃度感興趣，那么您可以對光源進行數(shù)kHz斬波。圖9顯示進行斬波后，測量結(jié)果不受大多數(shù)環(huán)境中普遍存在的低頻光污染影響；這類環(huán)境的例子有：一天內(nèi)不同時刻的環(huán)境光變化、50 Hz/60 Hz熒光燈等。

圖9. 對輸入信號進行斬波可將信息移入斬波頻率內(nèi)，遠離環(huán)境噪聲

由于調(diào)制信號頻率是可控的，因此可以利用相同的時鐘同步解調(diào)接收到的光。圖10中的電路是一個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交流耦合，然后以可編程增益+1和–1經(jīng)放大器傳輸。增益開關(guān)經(jīng)同步處理，可在預期開燈的確切時刻將增益設(shè)為+1，并在預期關(guān)燈的時刻設(shè)為–1。理想情況下，輸出將是直流電壓，并與光脈沖的幅度有關(guān)。低通濾波器抑制一切與調(diào)制時鐘不同步的信號。低通濾波器的截止頻率等于調(diào)制頻率周圍的帶通濾波器寬度。例如，假設(shè)調(diào)制頻率為5 kHz，并且采用帶寬為10 Hz的低通濾波器，則電路輸出可將信號從4.99 kHz傳輸至5.01 kHz。降低低通濾波器帶寬可獲得更好的抑制效果，但代價是建立時間更長。

圖10. 同步檢測電路One

圖9還顯示了使用斬波需注意的另一點。斬波產(chǎn)生的波形并不是頻域內(nèi)單一的線條(要求使用正弦波)，而是斬波頻率下的線條和其奇次諧波。斬波頻率奇次諧波處的任何噪聲都將以較小程度的衰減出現(xiàn)在輸出端。通過使用正弦波調(diào)制可將其完全消除，但需要用到更為復雜或成本更高的電路。另一種解決方案是選擇一個罕見的基波頻率，其諧波不符合任何已知的干擾源。您還可在固件內(nèi)實現(xiàn)圖10中的相同功能。您可以根據(jù)調(diào)制時鐘同步采樣斬波光信號，并使用數(shù)字信號處理技術(shù)提取目標頻率的幅度信息。

結(jié)論

光電二極管放大器是大多數(shù)精密光學測量系統(tǒng)的重要構(gòu)建模塊。選擇正確的運算放大器很重要，是獲得優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)性能的第一步。使用其他性能增強技術(shù)——比如可編程增益和同步檢測——有助于增加動態(tài)范圍并抑制噪聲。

審核編輯：郭婷