日期：2023-04-13
該電路在光伏模式下操作光敏二極管，其中運算放大器將光敏二極管兩端的電壓保持在 0 V。這是精密應(yīng)用中最常見的配置。光電二極管的電壓與電流曲線與普通二極管非常相似，不同之處在于整個曲線會隨著光照水平的變化而上下移動。圖 2a 顯示了典型的光敏二極管傳遞函數(shù)。圖 2b 是傳遞函數(shù)的放大視圖，它顯示了光敏二極管如何在沒有光的情況下輸出小電流。這種“暗電流”隨著光敏二極管兩端反向電壓的增加而增加。大多數(shù)制造商指定光敏二極管暗電流具有 10 mV 的反向電壓。
光敏二極管一、傳遞函數(shù)
當光照射到光敏二極管的活性區(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過圖 1 中的反饋電阻器，生成的輸出電壓等于光電二極管電流乘以反饋電阻器。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)是選擇直流規(guī)格符合您的應(yīng)用要求的運算放大器。大多數(shù)精密應(yīng)用的低輸入失調(diào)電壓排在首位。輸入失調(diào)電壓出現(xiàn)在放大器的輸出端，導(dǎo)致整體系統(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)在光電二極管兩端并導(dǎo)致暗電流增加，從而進一步增加系統(tǒng)失調(diào)誤差。您可以通過軟件校準、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，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的范圍很廣。
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。任何電流進入運算放大器的輸入端，或通過反饋電阻器以外的任何其他地方，都會導(dǎo)致測量誤差。沒有零輸入偏置電流的運算放大器，但一些 CMOS 或 JFET 輸入運算放大器接近。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，經(jīng)過生產(chǎn)測試和保證。FET 輸入放大器的輸入偏置電流隨著溫度升高呈指數(shù)增長。許多運算放大器包括 85°C 或 125°C 的技術(shù)指標，但對于那些沒有的，一個很好的近似值是溫度每升高 10 度，電流就會加倍。
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，以最大限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 中光電二極管放大器原理圖的一種可能布局。粉紅色跡線是為放大器供電并連接到電路板其他部分的 +5 V 電源軌。如果 +5 V 跡線與承載光電二極管電流的跡線之間通過電路板的電阻為 5 GΩ(顯示為 R L在圖 3 中)，1 nA 的電流將從 +5 V 走線流入放大器。這顯然會破壞為應(yīng)用仔細選擇 1 pA 運算放大器的目的。最小化這種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的布線禁區(qū)以增加與其他走線的距離。對于某些極端應(yīng)用，一些工程師會完全取消 PCB 布線，并通過空氣直接將光電二極管引線連接到運算放大器的輸入引腳。
光敏二極管五、布局
另一種防止外部泄漏的方法是在承載光電二極管電流的走線附近運行一條保護走線，確保兩者都被驅(qū)動到相同的電壓。圖 4 顯示了承載光電二極管電流的網(wǎng)絡(luò)周圍的保護跡線。+5 V 跡線引起的漏電流現(xiàn)在通過 R L流入保護跡線，而不是流入放大器。在該電路中，保護跡線和輸入跡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)孕枰_保系統(tǒng)的交流性能足以滿足應(yīng)用的需求。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超大面積精密光電二極管的幾千皮法不等。但是，在運算放大器的輸入端增加電容會導(dǎo)致它變得不穩(wěn)定，除非您通過在反饋電阻兩端增加電容來補償它。反饋電容限制了系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。您可以使用公式 1 來計算將導(dǎo)致 45 度相位裕度的最大可能閉環(huán)帶寬。
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