光電二極管前置放大器

光電二極管前置放大器
光電二極管在受到光照時，會產(chǎn)生一個與照度成正比的小電流，因此是很好的光 電傳感器，可廣泛應(yīng)用于精密光度計(jì)、高速光纖接收器等領(lǐng)域。

許多常用傳感器的輸出阻抗超過幾兆歐，因此，其相應(yīng)的信號調(diào)理電路必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，以滿足低偏置電流、低噪聲和高增益的要求。本文分析介紹光電二極管前置放大器，文中討論了與高阻抗傳感器信號調(diào)理電路有關(guān)的問題，并提供了實(shí)際 解決方案。

光電二極管的等效電路如圖1所示 。光電二極管靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法之一是對來自嚴(yán)格定義的光源給定的光強(qiáng)確定它的短路電流ISC。最常用的光源是工作在2 850K色溫下的白熾鎢燈。在100fc(呎-燭光)照度(相當(dāng)于陰天的光強(qiáng))下，對于小面積(小于1mm2)二極管的短路電流通常是數(shù)皮安(pA)到數(shù)百微安(μA)。

短路電流在6~9個數(shù)量級的光強(qiáng)范圍呈理想線性變化，因此常被用作絕對光強(qiáng)的測 量。光電二極管兩端的開路電壓隨光強(qiáng)呈對數(shù)變化，但因?yàn)槠錅囟认禂?shù)很大，所以二極管電壓很少用于光強(qiáng)的精密測量。
分路電阻RSH在室溫下通常是1000MΩ左右，且溫度每增加10 ℃就減少1/2。二極 管電容CJ隨結(jié)面積和二極管偏壓而變化，對于結(jié)面積很小的二極管，零偏壓時的 典型CJ是50pF。
光電二極管可以以兩種模式工作，一是零偏置工作(光伏模式,如圖2a)，一是反偏置工作(光導(dǎo)模式,如圖2b)。在光伏模式時，光電二極管可非常精確地線性工作； 而在光導(dǎo)模式時，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流，叫做暗電流(無照電流)。在零偏置 時則沒有暗電流，這時二極管噪聲基本上是分路電阻產(chǎn)生的熱噪聲。在反偏置時 ，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。在設(shè)計(jì)光電二極管過程中，通常 是針對光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)的，而不是兩種模式的使用都是 最優(yōu)化。
將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為可用電壓的簡便方法,是用一個運(yùn)算放大器作為電流—— 電壓轉(zhuǎn)換器(如圖3所示)。二極管偏置由運(yùn)算放大器的虛地維持在零電壓，短路電 流即被轉(zhuǎn)換為電壓。在最高靈敏度時，該放大器必須能檢測30pA的二極管電流。 這意味著反饋電阻必須非常大，而放大器偏置電流必須極小。例如，對于30pA的 偏置電流，1000MΩ反饋電阻將產(chǎn)生30mV的相應(yīng)電壓。因?yàn)樵俅蟮碾娮枋遣磺袑?shí)際 的，所以對于最高靈敏度的情況使用1000MΩ。這樣對于10pA的二極管電流，放大 器將給出10mV輸出電壓；而對于10nA的二極管電流，輸出電壓為10V。這樣便給出 60dB的動態(tài)范圍。對于更大的光強(qiáng)值，必須使用較小的反饋電阻來降低電路增益 。對于這個最高靈敏度范圍，我們應(yīng)能很容易區(qū)分無月夜的光強(qiáng)(0.001fc)和滿月夜的光強(qiáng)(0.1fc)。

注意，為了要獲得最大的信噪比(SNR)，我們應(yīng)當(dāng)選擇從一級電路而不是兩級電路 的級聯(lián)來獲得盡可能高的增益。如果我們將反饋電阻減小為原來的一半，則信號強(qiáng)度則降為原來的1/2，而反饋電阻產(chǎn)生的噪聲√4KTR·帶寬僅降低√2倍。假定閉環(huán)帶寬保持不變，這將使SNR減小3dB。在下面的分析中，我們將看到電阻是對總輸出噪聲影響最大的因素之一。

注意，為了要獲得最大的信噪比(SNR)，我們應(yīng)當(dāng)選擇從一級電路而不是兩級電路 的級聯(lián)來獲得盡可能高的增益。如果我們將反饋電阻減小為原來的一半，則信號強(qiáng)度則降為原來的1/2，而反饋電阻產(chǎn)生的噪聲√4KTR·帶寬僅降低√2倍。假定閉環(huán)帶寬保持不變，這將使SNR減小3dB。在下面的分析中，我們將看到電阻是對總輸出噪聲影響最大的因素之一。
要精確測量數(shù)10pA范圍的光電二極管電流，運(yùn)算放大器的偏置電流不應(yīng)大于數(shù)皮 安，這就大大縮小了選擇的余地。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OP07是一種超低失調(diào)電壓（10μV） 的雙極型運(yùn)算放大器，但是其偏置電流達(dá)4nA（4000pA）。盡管帶偏置電流補(bǔ)償?shù)?超　雙極型運(yùn)算放大器（例如OP97），在室溫下的偏置電流大約有100 pA，但是 因?yàn)樗幌驠ET那樣溫度每升高10℃偏置電流就增加一倍，所以對于很高溫度下的 應(yīng)用很合適。我們選擇帶FET輸入的“靜電計(jì)級”運(yùn)算放大器作為光電二極管前置 放大器，因?yàn)樗仨氈还ぷ髟谥付ǖ臏囟确秶鷥?nèi)。這類器件采用BiFET工藝制造， 使用P溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET作為輸入級（參見圖4）。運(yùn)算放大器電路的其 余部分使用雙極型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。為使失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移減至最小，Bi FET運(yùn)算放大器在芯片工藝中采用了激光微調(diào)技術(shù)。失調(diào)電壓漂移通過下列調(diào)整過 程減至最?。菏紫任⒄{(diào)輸入級，使構(gòu)成一對差動電路的兩個JFET中的電流相等； 然后，微調(diào)JFET源電阻，將輸入失調(diào)電壓減至最小。選擇AD795作為光電二極管前 置放大器，其主要性能如下：
·失調(diào)電壓：在 25℃時，最大為250μV（K 級）
·失調(diào)電壓漂移：最大為3μV/℃（K級 ）
·輸入偏置電流：在 25℃時，最大為1pA （K級）
·0.1～10Hz 電壓噪聲：2.5μVp-p
·1/f 轉(zhuǎn)折頻率：12Hz
·電壓噪聲：在 100Hz處為10nV/ √Hz
·電流噪聲：在 100Hz處為0.6fA/ √Hz
·在±15V時的功耗為40mW
·增益帶寬乘積1MHz
因?yàn)槎O管電流以pA為單位測量的，所以必須特別注意實(shí)際電路中潛在的泄漏路徑。對于高質(zhì)量、清潔的環(huán)氧樹脂印制電路板上的兩條相距0.05英寸的平行導(dǎo)線 ，在125℃時1英寸長的平行布線的漏電阻約為1011歐姆，如果在它們間存在15V的 電壓，便會有150 pA的電流流過。
光電二極管的主要泄漏路徑如圖5中的虛線所框。反饋電阻應(yīng)采用有玻璃絕緣的陶 瓷電阻或玻璃上的薄膜電阻?？缃釉诜答侂娮鑳啥说难a(bǔ)償電容器應(yīng)具有聚丙烯或 聚苯乙烯介質(zhì)。與匯合結(jié)點(diǎn)的所有連線應(yīng)足夠短。如果用電纜將光電二極管和前置放大器相連接，則電纜應(yīng)盡量短且用聚四氟乙烯絕緣。
通過將放大器的輸入與印制電路板上的大電壓梯度進(jìn)行隔離的防護(hù)方法，可以減少寄生泄漏電流。實(shí)際上，防護(hù)方法就是在輸入線周圍并上升到線路電壓的低阻抗導(dǎo)線。它通過將泄漏電流轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離靈敏結(jié)點(diǎn)處而對泄漏電容起緩沖作用。
究竟采用哪種保護(hù)技術(shù)取決于工作方式,即反相或同相方式。圖6示出一種用來保護(hù)DIP(“N”型)封裝的ADF95運(yùn)算放大器輸入的印制電路板布置。應(yīng)該注意到,這 種封裝的引腳間隔允許布線在引腳之間通過。在反相工作方式下,保護(hù)印制線圍繞 倒相輸入(引腳2),且走向與輸入印制線平行,在跟隨器工作方式下,保護(hù)電壓是到 倒相輸入引腳2的反鎖電壓。在兩種工作方式下,保護(hù)印制線應(yīng)盡可能處在印制電 路板的兩側(cè)并連在一起。
將保護(hù)技術(shù)用于SOIC表面要裝(“R”)封裝時,由于引腳的間隔不允許在引腳之間 容納印制電路的寬印制線,所以情況要稍微復(fù)雜一些。圖7示出一種優(yōu)選的方法。 在SOIC“R”封裝中,引腳1、引腳5和引腳8是“不連接”引腳,可用于信號路徑印制線(如圖所示)。在跟隨器的情況下,保護(hù)印制線必須繞過-Vs引腳。
對于偏流極小的應(yīng)用場合(如利用輸入偏流為100fA的AD549的場合),所有與該運(yùn)算 放大器輸入端的連線都應(yīng)接到?jīng)]有玷污過的聚四氟乙烯隔離絕緣子上(“沒有玷污 過的”聚四氟乙烯是指已加工成形但未玷污上粉末或顆?；覊m的一塊潔凈的固體 聚四氟乙烯材料)。如果從機(jī)械加工和制造考慮允許的話,則運(yùn)算放大器的反相輸 入端應(yīng)直接焊到聚四氟乙烯隔離絕緣子上(見圖8),而不穿過印制電路板上的通孔 。印制電路板本身需仔細(xì)清潔,然后用優(yōu)質(zhì)涂覆材料加以密封,防止?jié)駳夂突覊m侵入。

除將泄漏電流減至最小之外,整個電路應(yīng)當(dāng)用接地金屬屏進(jìn)行良好屏蔽,以防接收 雜散信號。
前置放大器的失調(diào)電壓和漂移分析
圖9示出光電二極管前置放大器的失調(diào)電壓和偏流模型。在這個電路中有兩點(diǎn)重要考慮。首先,二極管分流電阻(R1)隨溫度而變—每當(dāng)溫度升高10℃時,其阻值便減小一半。在室溫(+25℃)下,R1=1000MΩ,而在+70℃時R1便減小到43MΩ。這對電路 的直流噪聲增益,因而對輸出失調(diào)電壓帶來巨大影響。例如,在+25℃時直流噪聲增 益是2,而在+70℃時噪聲增益便增大到24。
電路性能
圖10是光電二極管電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。電路主要性能如下：
● 輸出失調(diào)誤差(在0~70 )：33mV
● 輸出靈敏度：1mV/pA
● 輸出光電靈敏度：36V/foot-candle
● 在25 時總輸出噪聲：28.5 V RMS
● 在25 時總噪聲RTI：44fA RMS,或26.4pA p-p
● R2＝1000M 時照度范圍：0.001~0.33foot-candle
● 帶寬：16Hz