日期：2023-08-14
光電二極管是許多基于光的測量中最流行的傳感器類型之一。吸收光譜和發(fā)射光譜、顏色測量、濁度、氣體檢測等應(yīng)用都依賴光電二極管進(jìn)行精密光測量。光電二極管產(chǎn)生與照射其活動區(qū)域的光成比例的電流。大多數(shù)測量應(yīng)用涉及使用跨阻放大器將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。圖 1 顯示了該電路的簡化原理圖。
光敏二極管一、電壓保持
該電路以光伏模式運行光電二極管，其中運算放大器將光電二極管兩端的電壓保持在 0V。這是精密應(yīng)用最常見的配置。光電二極管的電壓與電流曲線與常規(guī)二極管的電壓與電流曲線非常相似，不同之處在于整個曲線會隨著光照強度的變化而向上或向下移動。圖 2a 顯示了典型的光電二極管傳遞函數(shù)。圖 2b 是傳遞函數(shù)的放大視圖，它顯示了光電二極管如何在沒有光的情況下輸出小電流。這種“暗電流”隨著光電二極管反向電壓的增加而增加。大多數(shù)制造商指定光電二極管暗電流的反向電壓為 10 mV。當(dāng)光照射到光電二極管的有源區(qū)域時，電流從陰極流向陽極。理想情況下，所有光電二極管電流都流經(jīng)圖 1 的反饋電阻器，產(chǎn)生等于光電二極管電流乘以反饋電阻器的輸出電壓。該電路在概念上很簡單，但您必須解決一些挑戰(zhàn)才能從系統(tǒng)中獲得最佳性能。
光敏二極管二、直流注意事項
第一個挑戰(zhàn)是選擇具有符合您的應(yīng)用要求的直流規(guī)格的運算放大器。大多數(shù)精密應(yīng)用都會將低輸入失調(diào)電壓放在列表的頂部。輸入失調(diào)電壓出現(xiàn)在放大器的輸出端，導(dǎo)致整個系統(tǒng)誤差，但在光電二極管放大器中，它會產(chǎn)生額外的誤差。輸入失調(diào)電壓出現(xiàn)在光電二極管上，導(dǎo)致暗電流增加，從而進(jìn)一步增加系統(tǒng)失調(diào)誤差。您可以通過軟件校準(zhǔn)、交流耦合或兩者的組合來消除初始直流偏移，但較大的偏移誤差會降低系統(tǒng)的動態(tài)范圍。幸運的是，有多種輸入失調(diào)電壓為數(shù)百甚至數(shù)十微伏的運算放大器可供選擇。
光敏二極管三、輸入漏電流
下一個重要的直流規(guī)格是運算放大器的輸入漏電流。任何進(jìn)入運算放大器輸入端或除反饋電阻之外的其他任何地方的電流都會導(dǎo)致測量誤差。不存在具有零輸入偏置電流的運算放大器，但一些 CMOS 或 JFET 輸入運算放大器可以接近零輸入偏置電流。例如，AD8615在室溫下的最大輸入偏置電流為1 pA。經(jīng)典AD549 的最大輸入偏置電流為 60 fA，已得到保證并經(jīng)過生產(chǎn)測試。FET 輸入放大器的輸入偏置電流隨著溫度升高呈指數(shù)增加。許多運算放大器都包含 85°C 或 125°C 的規(guī)格，但對于那些不包含 85°C 或 125°C 規(guī)格的運算放大器，一個好的近似值是溫度每升高 10 度，電流就會增加一倍。
光敏二極管四、設(shè)計電路和布局
另一個挑戰(zhàn)是設(shè)計電路和布局，以最大程度地減少可能破壞低輸入偏置電流運算放大器性能的外部泄漏路徑。最常見的外部泄漏路徑是通過印刷電路板本身。例如，圖 3 顯示了圖 1 光電二極管放大器原理圖的一種可能布局。粉紅色跡線是 +5 V 電源軌，為放大器供電并連接到電路板的其他部分。如果 +5 V 跡線和承載光電二極管電流的跡線之間穿過電路板的電阻為 5 GΩ(顯示為 R L在圖 3 中)，1 nA 的電流將從 +5 V 跡線流入放大器。這顯然會違背為應(yīng)用仔細(xì)選擇 1 pA 運算放大器的初衷。最小化此外部泄漏路徑的一種方法是增加承載光電二極管電流的跡線與任何其他跡線之間的電阻。這可以很簡單，只需在走線周圍添加一個大型布線禁止區(qū)以增加與其他走線的距離即可。對于某些極端應(yīng)用，一些工程師會完全消除 PCB 布線，并將光電二極管引線通過空氣直接連接到運算放大器的輸入引腳。
光敏二極管五、保護(hù)走線
防止外部泄漏的另一種方法是在承載光電二極管電流的走線附近放置一條保護(hù)走線，確保兩者都驅(qū)動至相同的電壓。圖 4 顯示了承載光電二極管電流的網(wǎng)絡(luò)周圍的保護(hù)走線。+5V 跡線引起的漏電流現(xiàn)在通過 R L流入保護(hù)跡線，而不是流入放大器。在該電路中，保護(hù)走線和輸入走線之間的電壓差僅由運算放大器的輸入失調(diào)電壓引起，這是選擇具有低輸入失調(diào)電壓的放大器的另一個原因。
光敏二極管六、交流注意事項
盡管大多數(shù)精密光電二極管應(yīng)用往往速度較低，但我們?nèi)匀恍枰_保系統(tǒng)的交流性能足以滿足應(yīng)用的需要。這里的兩個主要問題是信號帶寬(或閉環(huán)帶寬)和噪聲帶寬。閉環(huán)帶寬取決于放大器的開環(huán)帶寬、增益電阻和總輸入電容。光電二極管輸入電容的變化范圍很大，從高速光電二極管的幾皮法到大面積精密光電二極管的幾千皮法。然而，在運算放大器的輸入端添加電容會導(dǎo)致其變得不穩(wěn)定，除非通過在反饋電阻器上添加電容來對其進(jìn)行補償。反饋電容限制了系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。您可以使用公式 1 計算可產(chǎn)生 45 度相位裕度的最大可能閉環(huán)帶寬。
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