精密的單電源光檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案

（6）

此時(shí)系統(tǒng)的相位容限將為65° ,而階躍函數(shù)的過(guò)沖是5%。用式（6）,C_F的值將為

這種保守的方法會(huì)輕微增加系統(tǒng)噪聲。上述兩種結(jié)果均可用模擬程序#7～#10分別對(duì)表1中的MCP601和OPAMP#2進(jìn)行模擬。

4 噪聲分析及其減小

系統(tǒng)的噪聲性能是通過(guò)計(jì)算或模擬而推導(dǎo)出來(lái)的,它涉及到頻率響應(yīng)中五個(gè)區(qū)域的噪聲和反饋電阻噪聲。這五個(gè)區(qū)域如圖8所示。圖8中將整個(gè)響應(yīng)分成五個(gè)區(qū)域便可容易地計(jì)算出噪聲電壓。每個(gè)區(qū)域內(nèi)的總噪聲等于系統(tǒng)增益（1/b ）乘以放大器噪聲的均方根值。R_F的噪聲不乘系統(tǒng)增益。

該系統(tǒng)的噪聲電壓完整計(jì)算如下

（7）

采用MCP601放大器模擬系統(tǒng)的累積噪聲,結(jié)果顯示噪聲主要發(fā)生在較高的頻率處。增加C_F的值或減少R_F的值可容易地降低整個(gè)系統(tǒng)的噪聲。

另一個(gè)降低噪聲的方法是減小放大器的帶寬。這可從模擬“運(yùn)放#2”中觀察到。在運(yùn)行模擬程序之前,要保證已鍵入了用戶想采用的反饋電容值。

采用“運(yùn)放#2”模擬系統(tǒng)的累積噪聲顯示了所希望的結(jié)果,但是,光電二極管輸入信號(hào)的帶寬卻由于放大器的帶寬限制而大大減小。在某些應(yīng)用領(lǐng)域,這可能是不可折衷的。為了降低噪聲,這個(gè)電路輸出端可減小的其它參數(shù)是光電二極管的寄生電容C_PD和運(yùn)放的輸入電容C_CM和C_DIFF。

在光電二極管前置放大器電路中,允許的最大噪聲是多少？作為一種參考,工作在5V輸入范圍的12位系統(tǒng)具有相當(dāng)于1.22mV的LSB。而同樣輸入電壓范圍的16位系統(tǒng)的LSB則為76.29m V。

5 結(jié)論

本文特別關(guān)注了與標(biāo)準(zhǔn)光檢測(cè)電路有關(guān)的穩(wěn)定性和噪聲問(wèn)題。電路工作原理為如何較好地解決設(shè)計(jì)問(wèn)題提供了思路。而模擬則用于驗(yàn)證理論,它說(shuō)明如何才能設(shè)計(jì)出一個(gè)低噪聲又充分穩(wěn)定的電路方案。設(shè)計(jì)中的可變參數(shù)是光電二極管、運(yùn)算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)。選擇光電二極管主要是因?yàn)槠淞己玫墓忭憫?yīng)特性。但是,它的寄生電容會(huì)對(duì)噪聲增益和電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。選擇運(yùn)放是由于其小的輸入偏置電流和帶寬。此外,放大器產(chǎn)生的噪聲也是一個(gè)重要的指標(biāo)。最后,反饋網(wǎng)絡(luò)也影響系統(tǒng)的信號(hào)帶寬和噪聲幅度。

一旦理論和模擬相互吻合,設(shè)計(jì)過(guò)程中最后且最重要的一步就是制作實(shí)驗(yàn)?zāi)M板。

需要說(shuō)明的是：本文提供了用SPICE軟件模擬實(shí)例電路12種相關(guān)的性能,它們分別可模擬光電二極管的傳輸函數(shù),二極管上升時(shí)間;運(yùn)放的噪聲、運(yùn)放的方波響應(yīng);光檢測(cè)電路系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng);系統(tǒng)的積累噪聲等(略)。讀者可通過(guò)網(wǎng)址http: //onlinetools.chipcenter.com/netsim/ photo-diode/pd_article.html上相應(yīng)的模擬程序進(jìn)行模擬。