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(yīng)用領(lǐng)域需要檢測(cè)光亮度并將之轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)字信號(hào)。光檢測(cè)電路可用于CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測(cè)器、位置傳感器、紅外高溫計(jì)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用的電壓信號(hào)。看起來(lái)好象用一個(gè)光電二極管、一個(gè)放大器和一個(gè)電阻便能輕易地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電流至電壓的轉(zhuǎn)換，但這種應(yīng)用電路卻提出了一個(gè)問(wèn)題的多個(gè)側(cè)面。為了進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用前景，單電源電路還在電路的運(yùn)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(guò)模擬驗(yàn)證這種典型應(yīng)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(jī)會(huì)的話，可以運(yùn)行一個(gè)SPICE模擬程序，它會(huì)很形象地說(shuō)明電路原理。以上兩步是完成設(shè)計(jì)過(guò)程的開(kāi)始。第三步也是最重要的一步（本文未作討論）是制作實(shí)驗(yàn)?zāi)M板。
1 光檢測(cè)電路的基本組成和工作原理
設(shè)計(jì)一個(gè)精密的光檢測(cè)電路最常用的方法是將一個(gè)光電二極管跨接在一個(gè)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(fù)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(guò)反饋電阻RF。輸出電壓會(huì)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 = ISC ×RF （1）
圖1 單電源光電二極管檢測(cè)電路
式（1）中，VOUT是運(yùn)算放大器輸出端的電壓，單位為V;ISC是光電二極管產(chǎn)生的電流，單位為A;RF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(gè)單極點(diǎn)為1/（2p RF CRF）。
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(gè)模擬程序，激勵(lì)信號(hào)源為ISC，輸出端電壓為VOUT。
此例中，RF的缺省值為1MW ，CRF為0.5pF。理想的光電二極管模型包括一個(gè)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(diǎn)等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改變RF可在信號(hào)頻響范圍內(nèi)改變極點(diǎn)。
遺憾的是，如果不考慮穩(wěn)定性和噪聲等問(wèn)題，這種簡(jiǎn)單的方案通常是注定要失敗的。例如，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)其數(shù)量難以接受的振鈴輸出，更壞的情況是電路可能會(huì)產(chǎn)生振蕩。如果解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，輸出響應(yīng)可能仍然會(huì)有足夠大的“噪聲”而得不到可靠的結(jié)果。
實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的光檢測(cè)電路從理解電路的變量、分析整個(gè)傳輸函數(shù)和設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的電路方案開(kāi)始。設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮的是為光電二極管響應(yīng)選擇合適的電阻。第二是分析穩(wěn)定性。然后應(yīng)評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性并分析輸出噪聲，根據(jù)每種應(yīng)用的要求將之調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)乃健?/p>
這種電路中有三個(gè)設(shè)計(jì)變量需要考慮分析，它們是：光電二極管、放大器和R//C反饋網(wǎng)絡(luò)。首先選擇光電二極管，雖然它具有良好的光響應(yīng)特性，但二極管的寄生電容將對(duì)電路的噪聲增益和穩(wěn)定性有極大的影響。另外，光電二極管的并聯(lián)寄生電阻在很寬的溫度范圍內(nèi)變化，會(huì)在溫度極限時(shí)導(dǎo)致不穩(wěn)定和噪聲問(wèn)題。為了保持良好的線性性能及較低的失調(diào)誤差，運(yùn)放應(yīng)該具有一個(gè)較小的輸入偏置電流（例如CMOS工藝）。此外，輸入噪聲電壓、輸入共模電容和差分電容也對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體精度產(chǎn)生不利的影響。最后，R//C反饋網(wǎng)絡(luò)用于建立電路的增益。該網(wǎng)絡(luò)也會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性和噪聲性能產(chǎn)生影響。
2 光檢測(cè)電路的SPICE模型
2.1 光電二極管的SPICE模型
一個(gè)光電二極管有兩種工作方式：光致電壓和光致電導(dǎo)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。在這兩種方式中，光照射到二極管上產(chǎn)生的電流ISC方向與通常的正偏二極管正常工作時(shí)的方向相反，即從負(fù)極到正極。
光電二極管的工作模型示于圖2中，它由一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源、理想的二極管、結(jié)電容和寄生的串聯(lián)及并聯(lián)電阻組成。
圖2 非理想的光電二極管模型
當(dāng)光照射到光電二極管上時(shí)，電流便產(chǎn)生了，不同二極管在不同環(huán)境中產(chǎn)生的電流ISC、具有的CPD、RPD值以及圖中放大器輸出電壓為0~5V所需的電阻RF值均不同，例如SD-020-12-001硅光電二極管，在正常直射陽(yáng)光（1000fc［英尺-燭光］）時(shí)，ISC=30m A、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=167kW ;睛朗白天（100fc）時(shí)，ISC = 3m A、CPD=50pF、RPD= 1000 MW 、RF=1.67MW ;桌上室內(nèi)光（1.167fc）時(shí)，ISC=35nA、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=142.9MW 。可見(jiàn)光照不同時(shí)，ISC有顯著變化，而CPD、RPD基本不變。
工作于光致電壓方式下的光電二極管上沒(méi)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(yīng)用到最大限度，并適用于精密應(yīng)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(huì)影響光檢測(cè)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。相反，較寬的耗盡層（如PIN光電二極管）會(huì)表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。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(duì)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(cè)中，寄生電阻RPD也稱(chēng)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(guò)100MW 。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)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(chēng)作散粒噪聲（熱噪聲），是由于載流子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。
二極管的第二個(gè)寄生電阻RS稱(chēng)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(duì)電路的頻率響應(yīng)有影響。光電二極管的漏電流IL是引發(fā)誤差的第四個(gè)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(dǎo)方式中的光電二極管具有一個(gè)反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測(cè)器上時(shí)，耗盡層的寬度會(huì)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，線性度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個(gè)問(wèn)題的折衷設(shè)計(jì)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(yīng)用領(lǐng)域。