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          光電二極管原理及前置放大器電路

          作者: 時間:2018-08-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          在用于光檢測的固態(tài)檢波器中,光電二極管仍然是基本選擇。光電二極管廣泛用于光通信和醫(yī)療診斷。其他應(yīng)用包括色彩測量、信息處理、條形碼、相機(jī)曝光控制、電子束邊緣檢測、傳真、激光準(zhǔn)直、飛機(jī)著陸輔助和導(dǎo)彈制導(dǎo)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387291.htm

          設(shè)計過程中,經(jīng)常會優(yōu)化用于光電模式或光敏模式的光電二極管。響應(yīng)度是檢波器輸出與檢波器輸入的比率, 是光電二極管的關(guān)鍵參數(shù)。 其單位為 A/W 或 V/W。

          前置在高背景噪聲環(huán)境中提取生成的小信號。 光電導(dǎo)體的前置有兩類:電壓模式和跨導(dǎo)(圖 2)。

          圖 3c 所示的跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的精密線性傳感性能是通過“零偏壓”光電二極管實現(xiàn)的。在此配置中,光電二極管發(fā)現(xiàn)輸出間存在短路,按照公式 3 (Isc =Ilight),基本上不存在“暗”電流。

          光電二極管暴露在光線下且使用圖 2c 的電路時,電流將流到運算放大器的反相節(jié)點,如圖 3 所示。若負(fù)載(RL)為 0 Ω且 VOUT = 0 V,則理論上光電二極管會出現(xiàn)短路。實際上,這兩種狀況都絕對不會出現(xiàn)。RL 等于 Rf/Aopen_loop_Gain,而 VOUT 是放大器反饋配置施加 的虛擬地。

          圖 4所示電路是一個高速光電二極管信 號調(diào)理電路,具有暗電流補償功能。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換來自高速硅PIN光電二極管的電流,并驅(qū)動20 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。該器件組合可提供400 nm至1050 nm的頻譜敏感度和49 nA的光電流敏感度、91 dB的動態(tài)范圍以及2 MHz的帶寬。信號調(diào)理電路采用±5 V電源供電,功耗僅為40 mA,適合便攜式高速、高分辨率光強(qiáng)度應(yīng)用,如脈搏血氧儀。

          光電二極管工作時采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光導(dǎo))模式。光伏模式可獲得最精確的線性運算,而讓二極管工作在光導(dǎo)模式可實現(xiàn)更高的開關(guān)速度,但代價是降低線性度。在反向偏置條件下,存在少量的電流(稱為暗電流),它們甚至在沒有光照度的情況下也會流動??稍谶\算放大器的同相輸入端使用第二個同類光電二極管消除暗電流誤差,如圖4所示。

          本電路還適合其它應(yīng)用,如模擬光隔離器。它還能滿足需要更高帶寬和更低分辨率的應(yīng)用,如自適應(yīng)速度控制系統(tǒng)。

          本電路筆記討論圖4中所示電路的優(yōu)化設(shè)計步驟,以滿足特定帶寬應(yīng)用的要求,這些步驟包括:穩(wěn)定性計算、噪聲分析和器件選擇考慮因素。

          光電二極管屬于高阻抗,用于檢測光的強(qiáng)度。它沒有內(nèi)部增益,但相比其它光檢測器,可在更高的光級度下工作。

          有三個因素影響光電二極管的響應(yīng)時間:

          處于光電二極管耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時間

          處于光電二極管未耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時間

          二極管電路組合的RC時間常數(shù)

          由于結(jié)電容取決于光電二極管的擴(kuò)散區(qū)以及施加的反向偏置,采用擴(kuò)散區(qū)較小的光電 二極管并施加較大的反向偏置即可獲得更快的上升時間。在 CN-0272電路筆記中,采用 SFH 2701 PIN光電二極管,其結(jié)電容典型值為3 pF,0 V偏置下的最大值為5 pF.1 V反向偏置時的典型電容為2 pF,5 V 反向偏置時為1.7 pF.本電路的測量均在5 V反向偏置下進(jìn)行。

          該軟件環(huán)境提供了光電二極管的 LabVIEW跨導(dǎo)模型,允許根據(jù)設(shè)計示例中使用的具體光電二極管進(jìn)行定制(圖 5a)。必須先運行仿真,再構(gòu)建任何板卡。由于噪聲增益路徑(圖 5b)中引入了零點,所以可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定。MultiSim 仿真說明了噪聲增益路徑中引入零點造成的不 穩(wěn)定(圖 5b)。改變反饋電阻上的電容會影響可用的帶寬(圖 5c)。

          如上文所述,必須在反饋電阻上放置 2 pF 電容來引入一個極點,從而取消此零點。 2 pF 反饋電容是理論值。 可以分析不同值對設(shè)計電路可用帶寬的影響(圖 5c)。還可以通過監(jiān)控輸出來校驗電路帶寬,其-3 dB 帶寬為 1 kHz。

          編輯點評:本文介紹分析了光電二極管的原理及信號調(diào)理電路圖,光電二極管產(chǎn)生一個與照明度成比例的微弱電流。而前置放大器將光電二極管的電流輸出信號轉(zhuǎn)換為一個可用的電壓信號??捎糜贑T掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測器、位置傳感器、紅外高溫計和色譜分析儀等系統(tǒng)中。



          關(guān)鍵詞: 傳感器 放大器

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