光電二極管放大電路設(shè)計(jì)-如何放大信號(hào)？

今天給大家分享一些關(guān)于光電二極管運(yùn)算放大電路的文章。

由光電二極管產(chǎn)生的極低幅度電流的標(biāo)準(zhǔn)方法：將該電流用作基于運(yùn)算放大器的跨阻放大器 (TIA) 的輸入。下圖提供了連接到 TIA 的光電二極管的示例，光電二極管的偏壓為零，這意味著光電二極管在光伏模式下工作。

連接到跨阻放大器的光電二極管

1、保持光電二極管電路的穩(wěn)定性

在上圖所示的電路中，只有電阻( RF ) 提供增益 。電容 (CF) 的目的是 通過(guò)補(bǔ)償光電二極管的內(nèi)部結(jié)電容來(lái)避免振蕩問(wèn)題 ，這會(huì)在反饋網(wǎng)絡(luò)中形成一個(gè)極點(diǎn)。 電容(CF) 通過(guò)在反饋網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建一個(gè)零點(diǎn)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

振蕩是光電二極管電路的一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。確實(shí)，內(nèi)部頻率補(bǔ)償通?？梢员Ｗo(hù)運(yùn)算放大器免受不穩(wěn)定的影響，但即使使用內(nèi)部補(bǔ)償運(yùn)算放大器，光電二極管也會(huì)發(fā)生振蕩。

2、包含直流偏移

在某些情況下，可能需要 使用光電二極管來(lái)記錄由特定類(lèi)型的短時(shí)光或熱事件產(chǎn)生的波形 。你可以使用 AC 耦合來(lái)消除環(huán)境輻射的影響，從而允許系統(tǒng)僅檢測(cè)瞬態(tài)照明，但波形的下降沿可能會(huì)延伸到地面以下。

這在單電源系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題：如果運(yùn)算放大器的負(fù)電源接地，延伸到 0 V 以下的波形部分將被削波。

你可以通過(guò)向運(yùn)算放大器的非反相輸入端施加一個(gè)小的直流電壓(稱(chēng)為 VOFFSET )來(lái)解決此問(wèn)題;VOFFSET將成為放大器在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的輸出電平。波形的下降沿將能夠延伸到該電壓以下，并且在瞬態(tài)事件之后，放大的輸出最終將返回到 VOFFSET。

與圖 1 相同的光電二極管連接到跨阻放大器，但具有直流偏移

在此示例中，使用電阻分壓器來(lái)生成合適的偏移電壓，并聯(lián)電容有助于抑制源自電源的高頻噪聲。

你選擇的偏移電壓將取決于你要應(yīng)用的電路。如果你不希望VOFFSET大于必要的值：如果偏移為 500 mV，但你的輸入波形從未延伸到低于地面 200 mV 以上，那么你已經(jīng)失去了正周期部分可能需要的 300 mV 信號(hào)擺幅的波形。

要記住，由于虛擬短路，施加到同相輸入端的電壓也會(huì)出現(xiàn)在反相輸入端。這意味著正偏移電壓將導(dǎo)致光電二極管具有反向偏置。

3、避免飽和

即使你不確定要保留波形的地下部分，如果你正在設(shè)計(jì)單電源系統(tǒng)，也應(yīng)該考慮包含一個(gè)小的(可能是 100 mV)偏移電壓，因?yàn)樗梢苑乐惯\(yùn)算放大器在負(fù)軌飽和。

飽和并不是什么特別嚴(yán)重，但運(yùn)算放大器(與比較器不同)并未針對(duì)在電源軌上產(chǎn)生的輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化。飽和運(yùn)算放大器需要一些時(shí)間才能擺脫飽和。因此，在負(fù)軌處飽和的 TIA 在響應(yīng)輸入信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些延遲。

光電二極管運(yùn)算放大電路案例設(shè)計(jì)1

光電二極管可以在光伏或光電導(dǎo)模式下運(yùn)行。在光伏模式下， 光電二極管是無(wú)偏置的 ;而對(duì)于 光電導(dǎo)模式，則施加外部反向偏壓 。具體的工作模式選擇取決于應(yīng)用程序的速度要求以及可容忍的暗電流量。在光伏模式下，暗電流最小。光電二極管在光電導(dǎo)模式下工作時(shí)表現(xiàn)出最快的開(kāi)關(guān)速度。

光電二極管和運(yùn)算放大器可以耦合，以使光電二極管在短路電流模式下工作。運(yùn)算放大器用作簡(jiǎn)單的電流電壓轉(zhuǎn)換器。

PV和PC模式

基本光電二極管測(cè)試電路

如下圖所示，為基本光電二極管的測(cè)試電路，當(dāng) LED 開(kāi)啟時(shí)，反向電流通過(guò)光電二極管從陰極流向陽(yáng)極，流向 Q1 的基極。電流被放大并用于點(diǎn)亮 LED，這是一個(gè)對(duì)測(cè)量光強(qiáng)度無(wú)用的開(kāi)/關(guān)電路。

基本光電二極管電路

光電二極管運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)案例2

在這里，我們將使用運(yùn)算放大器將光電二極管電流轉(zhuǎn)為可測(cè)量的電壓，也被稱(chēng)為跨阻抗或電流電壓放大器。在所有情況下，光電二極管都是反向偏置的。

基本的 LM741 光電二極管跨阻放大器

使用 LM741 將小漏電流通過(guò)公式 Rf * Ip 轉(zhuǎn)換為電壓。根據(jù) Rf 的值，電壓輸出為正 0 到 10 伏。LED 的亮度與光電二極管上的光強(qiáng)度成正比。要注意，這是一個(gè)雙極電源電路。

雙極電源電路

接著對(duì)這個(gè)電路改進(jìn)一下(如下圖所示)，和上面的不同之處在于光電二極管的陽(yáng)極連接到 -12 伏電源。這降低了電容并提高了開(kāi)關(guān)響應(yīng)。這是一個(gè)演示電路，如果要獲得真正的高速性能，必須要使用高速運(yùn)算放大器，例如ADA4817-1 或 OPA640，還可以使用 PIN 光電二極管。

演示電路

在下圖中，將光電二極管的陰極連接到 +12 伏電源。這會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓輸出。這是另一個(gè)雙極電源電路。

雙極電源電路

下圖是一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，可以使用帶有 Arduino 的光電二極管讀取光強(qiáng)度。使用 7 伏電源時(shí)，最大電壓輸出為 5 伏。輸出 0-5 伏。

光電二極管放大電路

以上，就是關(guān)于光電二極管電路設(shè)計(jì)的一些分享，希望能幫助到大家。

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