【導(dǎo)讀】光電二極管是很多光學(xué)測(cè)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(cè)量、渾濁度、氣體探測(cè)等應(yīng)用均有賴于光電二極管實(shí)現(xiàn)精密光學(xué)測(cè)量。光電二極管產(chǎn)生與照射到活動(dòng)區(qū)的光量成比例的電流。大多數(shù)測(cè)量應(yīng)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(jiǎn)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(yùn)算放大器保持光電二極管上的電壓為0 V。這是精密應(yīng)用中最常見(jiàn)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(huì)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(méi)有光的情況下，光電二極管也會(huì)輸出少量電流。這種暗電流會(huì)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(dòng)區(qū)后，電流從陰極流向陽(yáng)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(jiǎn)單，但若要系統(tǒng)具備最佳性能則必須解決一些難題。
直流考慮因素
第一個(gè)難題是選擇直流規(guī)格匹配應(yīng)用要求的運(yùn)算放大器。對(duì)大部分應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(huì)增加系統(tǒng)總誤差；而在光電二極管放大器中，它還會(huì)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(jìn)一步增加系統(tǒng)失調(diào)誤差。通過(guò)軟件校準(zhǔn)、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(huì)縮小系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。幸運(yùn)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(yùn)算放大器可供選擇。
第二重要的直流規(guī)格是運(yùn)算放大器的輸入漏電流。電流進(jìn)入運(yùn)算放大器輸入端，或者進(jìn)入反饋電阻以外的任何地方，都會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。具有零輸入偏置電流的運(yùn)算放大器是不存在的，但某些CMOS或JFET輸入運(yùn)算放大器非常接近這個(gè)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(guò)生產(chǎn)測(cè)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(yùn)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(gè)難題是設(shè)計(jì)電路并進(jìn)行布局，從而最大程度降低外部漏電流路徑——漏電流會(huì)影響低輸入偏置電流運(yùn)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(yīng)用中仔細(xì)選擇1 pA運(yùn)算放大器的目標(biāo)相違背。最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(gè)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(yīng)用中，有的工程師會(huì)一并取消PCB走線，將光電二極管引線暴露在空氣中并與運(yùn)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(gè)保護(hù)走線，并確保兩條走線均驅(qū)動(dòng)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(hù)走線。+5 V走線產(chǎn)生的漏電流隨后通過(guò)RL流入保護(hù)走線，而非流入放大器。在該電路中，保護(hù)走線和輸入走線之間的壓差僅與運(yùn)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(gè)原因。
圖4. 使用保護(hù)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(yīng)用的工作速率較低，但我們依然需要保證針對(duì)該應(yīng)用，系統(tǒng)具有足夠的交流性能。這里，兩個(gè)最大的問(wèn)題是信號(hào)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(kāi)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(yùn)算放大器的輸入端加入電容會(huì)使它變得不穩(wěn)定，除非在反饋電阻上添加電容進(jìn)行補(bǔ)償。反饋電容限制系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。可以使用等式1計(jì)算導(dǎo)致45°相位裕量的最大可能閉環(huán)帶寬。
其中：
是放大器的單位增益頻率。
是反饋電阻。
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。
是運(yùn)算放大器的共模電容。
是運(yùn)算放大器的差分電容。例如，假設(shè)應(yīng)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(yù)計(jì)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(hào)帶寬。這是相位裕量為45°時(shí)的情況，此時(shí)在信號(hào)階躍發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生峰化。您可能希望通過(guò)設(shè)計(jì)60°或更高的相位裕量來(lái)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(yīng)用，甚至對(duì)中等帶寬的應(yīng)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(yīng)用在選擇極低輸入電容的運(yùn)算放大器時(shí)需分外仔細(xì)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，某些運(yùn)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(yùn)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(duì)低寄生電容優(yōu)化
采用光電二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)噪聲通常是又一個(gè)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(dǎo)致。來(lái)自反饋電阻的噪聲出現(xiàn)在輸出端，且無(wú)額外的放大效應(yīng)。如果增加電阻值以便放大光電二極管電流，則增益電阻導(dǎo)致的噪聲將僅增加電阻值增加量的平方根。實(shí)際上，這意味著光電二極管放大器增益越大越有好處，因?yàn)槿舨捎玫诙€(gè)放大器級(jí)，則噪聲會(huì)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(shí)還由反饋和輸入電容確定，因此它在整個(gè)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。可從該曲線中了解到兩件事：輸出噪聲在某些頻率下會(huì)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(huì)在較高的頻率下增加
由于無(wú)法利用該帶寬，因此可以采用設(shè)置為放大器信號(hào)帶寬的低通濾波器來(lái)降低該噪聲。
采用可編程增益擴(kuò)展動(dòng)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(gè)放大器級(jí)，光電二極管放大器中的增益越高越好。如圖7所示，通過(guò)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(jìn)一步。
圖7. 可編程增益光電二極管放大器概念
開(kāi)關(guān)S1選擇所需的反饋路徑，因此您可以為不同信號(hào)選擇最優(yōu)增益。不幸的是，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻會(huì)使電路產(chǎn)生增益誤差。該導(dǎo)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(kāi)關(guān)移除反饋環(huán)路中導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的誤差。該電路在反饋環(huán)路內(nèi)部有一個(gè)開(kāi)關(guān)，如圖7所示；但開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)S1而產(chǎn)生的任何增益誤差。使用該電路的代價(jià)之一是輸出不再具有與放大器輸出有關(guān)的低阻抗，因?yàn)樗ǘ嗦窂?fù)用器S2的導(dǎo)通電阻。如果下一級(jí)具有高阻抗輸入(比如采用ADC驅(qū)動(dòng)器)，那么這通常沒(méi)什么問(wèn)題。
圖8. 使用兩組開(kāi)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(cè)降低噪聲
很多精密應(yīng)用都需測(cè)量通過(guò)樣本吸收或反射的直流光照水平。
雖然某些應(yīng)用允許對(duì)全部環(huán)境光進(jìn)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(shí)，可以調(diào)制光源并使用同步檢測(cè)，使您的信號(hào)遠(yuǎn)離低頻頻譜；而電氣干擾和光學(xué)干擾在低頻頻譜中最為嚴(yán)重。最簡(jiǎn)單的調(diào)制方式是快速開(kāi)關(guān)光源。取決于具體光源，可對(duì)其進(jìn)行電子調(diào)制，或者像某些較老的儀器儀表那樣使用機(jī)械斬波器在給定速率下阻擋光線。
例如，如果您對(duì)測(cè)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(duì)光源進(jìn)行數(shù)kHz斬波。圖9顯示進(jìn)行斬波后，測(cè)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(shí)刻的環(huán)境光變化、50 Hz/60 Hz熒光燈等。
圖9. 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行斬波可將信息移入斬波頻率內(nèi)，遠(yuǎn)離環(huán)境噪聲
由于調(diào)制信號(hào)頻率是可控的，因此可以利用相同的時(shí)鐘同步解調(diào)接收到的光。圖10中的電路是一個(gè)非常簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)經(jīng)同步處理，可在預(yù)期開(kāi)燈的確切時(shí)刻將增益設(shè)為+1，并在預(yù)期關(guān)燈的時(shí)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(shí)鐘不同步的信號(hào)。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(hào)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(jià)是建立時(shí)間更長(zhǎng)。
圖10. 同步檢測(cè)電路One
圖9還顯示了使用斬波需注意的另一點(diǎn)。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最小程度的衰減出現(xiàn)在輸出端。通過(guò)使用正弦波調(diào)制可將其完全消除，但需要用到更為復(fù)雜或成本更高的電路。另一種解決方案是選擇一個(gè)罕見(jiàn)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(shí)現(xiàn)圖10中的相同功能。您可以根據(jù)調(diào)制時(shí)鐘同步采樣斬波光信號(hào)，并使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提取目標(biāo)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(xué)測(cè)量系統(tǒng)的重要構(gòu)建模塊。選擇正確的運(yùn)算放大器很重要，是獲得最佳系統(tǒng)性能的第一步。使用其他性能增強(qiáng)技術(shù)——比如可編程增益和同步檢測(cè)——有助于增加動(dòng)態(tài)范圍并抑制噪聲。
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
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