1、光電二極管及其相關(guān)地前置放大器是基本物理量和電子量之間地橋梁許多精密應(yīng)用領(lǐng)域需要檢測(cè)光亮度并將之轉(zhuǎn)換為有用地?cái)?shù)字信號(hào)光檢測(cè)電路可用于 CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測(cè)器、位置傳感器、紅外高溫計(jì)和色譜分析儀等系統(tǒng)中在這些電路中，光電二極管產(chǎn)生一個(gè)與照明度成比例地微弱電流而前置放大器將光電二極管傳感器地電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用地電壓信號(hào)看起來好象用一個(gè)光電二極管、一個(gè)放大器和一個(gè)電阻便能輕易 地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單地電流至電壓地轉(zhuǎn)換，但這種應(yīng)用電路卻提出了一個(gè)問題地多個(gè)側(cè)面為了進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用前景，單電源電路還在電路地運(yùn)行、穩(wěn)定性及噪聲處理方面顯示出新地限制本文將分析并通過模擬驗(yàn)證這種典型應(yīng)用電路地穩(wěn)定性及噪

2、聲性能首先探討電路工作原理，然后如果讀者有機(jī)會(huì)地話，可以運(yùn)行一個(gè)SPICE模擬程序，它會(huì)很形象地說明電路原理以上兩步是完成設(shè)計(jì)過程地開始第三步也是最重要地一步 <本文未作討論）是制作實(shí)驗(yàn)?zāi)M板1光檢測(cè)電路地基本組成和工作原理設(shè)計(jì)一個(gè)精密地光檢測(cè)電路最常用地方法是將一個(gè)光電二極管跨接在一個(gè) CMOS輸入放大器地輸入端和反饋環(huán)路地電阻之間這種方式地單電源電路示于圖1中.在該電路中，光電二極管工作于光致電壓 <零 偏置）方式.光電二極管上地入射光使之產(chǎn)生地電流Isc從負(fù)極流至正極，如圖中所示.因?yàn)閳D1單電源光電二極管檢CMOS放大器反相輸入端地輸入阻抗非常高，測(cè)電路二極管產(chǎn)生地電流將流過

3、反饋電阻 Rf.輸出電壓會(huì)隨著電阻Rf兩端地壓降而變化.圖中地放大系統(tǒng)將電流轉(zhuǎn)換為電壓，即Vout = IscXRf <1 ）式<1 ）中，Vout是運(yùn)算放大器輸出端地電壓 ，單位為V。Isc是光電二極管產(chǎn)生地電流，單 位為A。Rf是放大器電路中地反饋電阻 ，單位為W .圖1中地Crf是電阻Rf地寄生電容和 電路板地分布電容，且具有一個(gè)單極點(diǎn)為 1/<2p RfCrf ）.用SPICE可在一定頻率范圍內(nèi)模擬從光到電壓地轉(zhuǎn)換關(guān)系.模擬中可選地變量是放大器地反饋元件Rf.用這個(gè)模擬程序，激勵(lì)信號(hào)源為Isc，輸出端電壓為Vout.此例中，Rf地缺省值為1MW，Crf為0.5pF.理

4、想地光電二極管模型包括一個(gè)二極管和理 想地電流源.給出這些值后，傳輸函數(shù)中地極點(diǎn)等于 1/<2p RfCrf），即318.3kHz.改變Rf可 在信號(hào)頻響范圍內(nèi)改變極點(diǎn).遺憾地是，如果不考慮穩(wěn)定性和噪聲等問題，這種簡(jiǎn)單地方案通常是注定要失敗地例如，系統(tǒng)地階躍響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)其數(shù)量難以接受地振鈴輸出，更壞地情況是電路可能會(huì)產(chǎn)生振蕩如果解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定地問題，輸出響應(yīng)可能仍然會(huì)有足夠大地噪聲”而得不到可靠地結(jié)果實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定地光檢測(cè)電路從理解電路地變量、分析整個(gè)傳輸函數(shù)和設(shè)計(jì)一個(gè)可靠地電路方案開始設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮地是為光電二極管響應(yīng)選擇合適地電阻第二是分析穩(wěn)定性然后應(yīng)評(píng)估系統(tǒng)地穩(wěn)定性并分析輸出噪聲

5、，根據(jù)每種應(yīng)用地要求將之調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)厮竭@種電路中有三個(gè)設(shè)計(jì)變量需要考慮分析，它們是：光電二極管、放大器和R/C反饋網(wǎng)絡(luò)首先選擇光電二極管，雖然它具有良好地光響應(yīng)特性，但二極管地寄生電容將對(duì)電路地噪聲增益和穩(wěn)定性有極大地影響另外，光電二極管地并聯(lián)寄生電阻在很寬地溫度范圍內(nèi)變化，會(huì)在溫度極限時(shí)導(dǎo)致不穩(wěn)定和噪聲問題為了保持良好地線性性能及較低地失調(diào)誤差，運(yùn)放應(yīng)該具有一個(gè)較小地輸入偏置電流<例如CMOS工藝）此外，輸入噪聲電壓、輸入共模電容和差分電容也對(duì)系統(tǒng)地穩(wěn)定性和整體精度產(chǎn)生不利地影響最后，R/C反饋網(wǎng)絡(luò)用于建立電路地增益該網(wǎng)絡(luò)也會(huì)對(duì)電路地穩(wěn)定性和噪聲性能產(chǎn)生影響2光檢測(cè)電路地SPICE模

6、型2.1光電二極管地SPICE模型一個(gè)光電二極管有兩種工作方式：光致電壓和光致電導(dǎo)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)在這兩種方式中，光照射到二極管上產(chǎn)生地電流Isc方向與通常地正偏二極管正常工作時(shí)地方向相圖2非理想地光電一極管模型反，即從負(fù)極到正極光電二極管地工作模型示于圖2中，它由一個(gè)被輻射光激發(fā)地電流源、理想地二極管、結(jié)電容和寄生地串聯(lián)及并聯(lián)電阻組成當(dāng)光照射到光電二極管上時(shí)，電流便產(chǎn)生了，不同二極管在不同環(huán)境中產(chǎn)生地電流Isc、具有地Cpd、Rpd值以及圖中放大器輸出電壓為05V所需地電阻Rf值均不同，例如SD-020-12-001硅光電二極管，在正常直射陽(yáng)光<1OOOfc英尺-燭光）時(shí)，lsc=30

7、m A、Cpd=50pF、R pd=1000MW、RF=167kW。睛朗白天 <1OOfc ）時(shí),Isc = 3m A、Cpd=50pF、Rpd= 1000 M W、Rf=1.67MW。桌上室內(nèi)光 <1.167fc ）時(shí),Isc=35nA、Cpd=50pF、Rpd=1000MW、Rf =142.9MW .可見光照不同時(shí),Isc有顯著變化，而Cpd、Rpd基本不變工作于光致電壓方式下地光電二極管上沒有壓降，即為零偏置在這種方式中，為了光靈敏度及線性度，二極管被應(yīng)用到最大限度，并適用于精密應(yīng)用領(lǐng)域影響電路性能地關(guān)鍵寄生元 件為Cpd和Rpd,它們會(huì)影響光檢測(cè)電路地頻率穩(wěn)定性和噪聲性能結(jié)

8、電容Cpd是由光電二極管地 P型和N型材料之間地耗盡層寬度產(chǎn)生地耗盡層窄,結(jié)電容地值大相反，較寬地耗盡層 如PIN光電二極管）會(huì)表現(xiàn)出較寬地頻譜響應(yīng).硅二極管結(jié)電容地?cái)?shù)值范圍大約從20或25pF到幾千pF以上結(jié)電容對(duì)穩(wěn)定性、帶寬和噪聲等性能產(chǎn)生地重要影響將在下面討論 在光電二極管地?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)中，寄生電阻Rpd也稱作 分流”電阻或 暗”電阻該電阻與光電二 極管零偏或正偏有關(guān)在室溫下，該電阻地典型值可超過 100MW .對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，該電阻地 影響可被忽略分流電阻Rpd是主要地噪聲源，這種噪聲在圖2中示為epD.RpD產(chǎn)生地噪聲稱作散粒噪聲 熱噪聲），是因?yàn)檩d流子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生地二極管地第二個(gè)寄生電阻

9、 Rs稱為串聯(lián)電阻，其典型值從10W到1000W 因?yàn)榇穗娮柚岛?小，它僅對(duì)電路地頻率響應(yīng)有影響 光電二極管地漏電流Il是引發(fā)誤差地第四個(gè)因素如果放 大器地失調(diào)電壓為零，這種誤差很小與光致電壓方式相反，光致電導(dǎo)方式中地光電二極管具有一個(gè)反向偏置電壓加至光傳感元 件地兩端當(dāng)此電壓加至光檢測(cè)器上時(shí)，耗盡層地寬度會(huì)增加，從而大幅度地減小寄生電容CpD地值寄生電容值地減小有利于高速工作，然而，線性度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化 這個(gè)問題地折衷設(shè)計(jì)將增加二極管地漏電流Il和線性誤差下面將集中討論光致電壓方式下地光電二極管地應(yīng)用領(lǐng)域2.2運(yùn)放地SPICE模型運(yùn)算放大器具有范圍較寬地技術(shù)指標(biāo)及 性能參數(shù)，它對(duì)光檢測(cè)

10、電路地穩(wěn)定性和噪聲 性能影響很少其主要參數(shù)示于圖3地模型 中，它包括一個(gè)噪聲源電壓、每個(gè)輸入端地 寄生共模電容、輸入端之間地寄生電容及 與頻率有關(guān)地開環(huán)增益圖3非理想地運(yùn)放模型輸入差分電容Cdiff和輸入共模電容 Ccm是直接影響電路穩(wěn)定性和噪聲性能地 寄生電容這些寄生電容在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常 規(guī)定為典型值，基本不隨時(shí)間和溫度變化另一個(gè)涉及到輸入性能地是噪聲電壓 該參數(shù)可模擬為運(yùn)放同相輸入端地噪聲源 此噪聲源為放大器產(chǎn)生地所有噪聲地等效 值利用此噪聲源可建立放大器地全部頻譜 模型，包括1/f噪聲或閃爍噪聲以及寬帶噪聲.討論中假設(shè)采用CMOS輸入放大器,則 輸入電流噪聲地影響可忽略不計(jì)當(dāng)運(yùn)行SPIC

11、E噪聲模擬程序時(shí)，必須使用一個(gè)獨(dú)立地交流電壓源或電流源 為了模擬放大 器地輸入噪聲 RTI, 個(gè)獨(dú)立地電壓源 V|N應(yīng)加在放大器地同相輸入端 另外，電路中地反饋電 阻保持較低值<100W),以便在評(píng)估中不影響系統(tǒng)噪聲 .圖3模型中地最后一個(gè)技術(shù)指標(biāo)為在頻率范圍內(nèi)地開環(huán)增益AoL<jw )，典型情況下，在傳輸函數(shù)中該響應(yīng)特性至少有兩個(gè)極點(diǎn)，該特性用于確定電路地穩(wěn)定性在這個(gè)應(yīng)用電路中，對(duì)運(yùn)放有影響而未模擬地另一個(gè)重要性能參數(shù)是輸入共模范圍和輸出 擺幅范圍一般而言，輸入共模范圍必須擴(kuò)展到超過負(fù)電源幅值，而輸出擺幅必須盡可能地?cái)[動(dòng)到負(fù)電源幅值大多數(shù)單電源 CMOS放大器具有負(fù)電源電壓以下0

12、.3V地共模范圍因?yàn)橥噍斎攵私拥?，此類性能非常適合于本應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)放大器對(duì)地地負(fù)載電阻為小于Rf /10時(shí)，則單電源放大器地輸出擺幅可最優(yōu)化如果采用這種方法，最壞情況下放大器負(fù)載電阻地噪聲也僅為總噪聲地 0.5%.SPICE宏模型可以模擬也可以不模擬這些參數(shù)一個(gè)放大器宏模型會(huì)具有適當(dāng)?shù)亻_環(huán)增益頻率響應(yīng)、輸入共模范圍和不那么理想地輸出擺幅范圍表1中列出了本文使用地三個(gè)放大器宏模型地特性光電二極管和放大器地寄生元件對(duì)電路地影響可容易地用SPICE模擬加以說明例如，在理想情況下，可以通過使用Isc地方波函數(shù)和觀察輸出響應(yīng)來進(jìn)行模擬4圖1所示系統(tǒng)反饋電路地 寄生元件模型2.3反饋元件模型本應(yīng)用中應(yīng)該考

13、慮地第三個(gè)即最后一個(gè)變量 是放大器地反饋系統(tǒng)圖4示出一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)模 型在圖4中，分離地反饋電阻Rf也有一個(gè)噪聲 成分eRF和一個(gè)寄生電容Crf.寄生電容Crf為電阻Rf及與電路板/接線板 相關(guān)地電容此電容地典型值為0.5pF到1.0pF.Cf是反饋網(wǎng)絡(luò)模型中包含地第2個(gè)分離元 件,用于穩(wěn)定電路表1本文提到地運(yùn)放宏模型特性典型參數(shù)理想值MCP601運(yùn)放#2輸入差分電容0pF3pF3pF輸入共模電容0pF6pF6pF溫度范圍內(nèi)地輸入偏流0pA50pA50pA輸入電壓噪聲aa因靜態(tài)電流250m A250m A25m A增益vs.頻率無極點(diǎn)在傳輸函數(shù)中有2個(gè) 極點(diǎn)在傳輸函數(shù)中有2個(gè) 極點(diǎn)單位增益相交時(shí)

14、地相位 容限n/a60°60°增益帶寬積VGBW)未確定2.8MHz100kHz將三個(gè)子模型 <光電二極管、運(yùn)放和反饋網(wǎng)絡(luò))組合起來可組成光檢測(cè)電路地系統(tǒng)模型如圖5所示.3系統(tǒng)模型地相互影響和系統(tǒng)穩(wěn) 定性分析當(dāng)光電二極管配置為光致電壓 工作方式時(shí)，圖5所示地系統(tǒng)模 型可用來定性分析系統(tǒng)地穩(wěn)定 性.這個(gè)系統(tǒng)模型地SPICE能模 擬光電二極管檢測(cè)電路地頻率及 噪聲響應(yīng).尤其是在進(jìn)入硬件實(shí) 驗(yàn)以前,通過模擬手段可以容易圖5標(biāo)準(zhǔn)光檢測(cè)電路地系統(tǒng)模型地驗(yàn)證并設(shè)計(jì)出良好地系統(tǒng)穩(wěn)定 性.該過程是評(píng)估系統(tǒng)地傳輸函 數(shù)、確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性地關(guān)鍵 變量并作相應(yīng)調(diào)整地過程.該系統(tǒng)地傳輸函數(shù)

15、為<2)式<2 )中，AoL<jw )是放大器在頻率范圍內(nèi)地開環(huán)增益.b是系統(tǒng)反饋系數(shù)，等于1/<1+Zf/乙n).1/b也稱作系統(tǒng)地噪聲增益.Z in 是輸入阻抗，等于 RpD1/jw < Cpd+Ccm+ Cdiff) ° Zf是反饋?zhàn)杩?，等?Rf 1/jw < Cr f+Cf) 通過補(bǔ)償AOL<jw ) ' b地相位可確定系統(tǒng)地穩(wěn)定性，這可憑經(jīng)驗(yàn)用 AOL<jw )和1/b地Bode圖來實(shí)現(xiàn).圖6中地各圖說明了這個(gè)概念.開環(huán)增益頻率響應(yīng)和反饋系數(shù)地倒數(shù)1/b ）之間地閉合斜率必須小于或等于20dB/10倍頻程.圖6中a）

16、、c）表示穩(wěn)定系統(tǒng)，（b、d ）表示不穩(wěn)定系統(tǒng).在a）中，放大器地開 環(huán)增益AoLjw ）以零dB隨頻率變化并很快變化到斜率為20dB/10倍頻程.盡管未在圖中顯示，但這個(gè)變化是由開環(huán)增益響應(yīng)地一個(gè)極點(diǎn)導(dǎo)致地，并伴隨著相位地變化，在極點(diǎn)以前開始以10倍頻程變化.即在極點(diǎn)地10倍頻程處，相移約為0°在極點(diǎn)發(fā)生地頻率處，相移 為45°.當(dāng)斜率隨著頻率變化，到第二個(gè)極點(diǎn)時(shí)開環(huán)增益響應(yīng)變化至40dB/10倍頻程.并再次伴隨著相位地變化.第3個(gè)以零點(diǎn)響應(yīng)出現(xiàn)，并且開環(huán)增益響應(yīng)返回至一20dB/10倍頻程地斜率.圖6確定系統(tǒng)穩(wěn)定性地 Bode圖在同一個(gè)圖中,1/b曲線以零dB開始隨頻率

17、變化.1/b隨著頻率地增加保持平滑，直到曲線 末尾有一個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生，曲線便開始衰減20dB/10倍頻程.圖a）中令人感興趣地一點(diǎn)就是A°Ljw ）曲線和1/b曲線地交點(diǎn).兩條曲線交點(diǎn)地斜率示出了系統(tǒng)地相位容限，也預(yù)示著系統(tǒng)地穩(wěn)定性.在圖中,交點(diǎn)斜率為-20dB/10倍頻程.在這 種情況下，放大器將提供-90°地相移，而反饋系數(shù)則提供零度相移.相移和系統(tǒng)地穩(wěn)定性均 由兩條曲線地交點(diǎn)決定.1/b相移和A°Ljw ）相移相加,系統(tǒng)地相移為一90° ,容限為90° .從 理論上說，如果相位容限大于零度，系統(tǒng)是穩(wěn)定地.但實(shí)際應(yīng)用中相位容限至少應(yīng)有45

18、76;才能使系統(tǒng)穩(wěn)定.在圖6地c ）中,A°Ljw ）曲線和1/b曲線地交點(diǎn)表示一個(gè)在一定程度上穩(wěn)定地系統(tǒng).此點(diǎn)A°Ljw ）曲線正以一20dB/10倍頻程地斜率變化,而1/b曲線正從20dB/10倍頻程地斜 率轉(zhuǎn)換到0dB/10倍頻程地斜率.AolQw 曲線地相移為90° .1/b曲線地相移則為45°.將 這兩個(gè)相移相加后，總地相移為-135° ,即相位容限為45° .雖然該系統(tǒng)看上去較穩(wěn)定，即相位 容限大于0°但是電路不可能像計(jì)算或模擬那樣理想化，因?yàn)殡娐钒宕嬖谥纳娙莺碗姼?結(jié)果，具有這樣大小地相位容限，這個(gè)系統(tǒng)只能

19、是一定程度上地穩(wěn)定”.圖6中b）、d）均為不穩(wěn)定系統(tǒng).在b）圖中，AoLjw ）以一20dB/10倍頻程地斜率變 化.1/b則以+20dB/10倍頻程地斜率變化.這兩條曲線地閉合斜率為 40dB/10倍頻程，表示相 移為一180° ,相位容限為0° .在d ）圖中，AoLjw ）以一40dB/10倍頻程地斜率變化.而1/b以0dB/10倍頻程地 斜率變化.兩條曲線地閉合斜率為40dB/10倍頻程，表示相移為180° .通過模擬可表明使用非理想地光電二極管和運(yùn)放模型會(huì)造成相當(dāng)數(shù)量地振鈴或不穩(wěn)定因素.在頻率域內(nèi)重新進(jìn)行這種模擬會(huì)很快重現(xiàn)這種不穩(wěn)定因素可系統(tǒng)地不穩(wěn)定性可

20、用兩種方法校正：<1 ）增加一個(gè)反饋電容 Cf。<2）改進(jìn)放大器，使其具有差分Aol頻率響應(yīng)或差分輸入電容改變反饋電容系統(tǒng)中影響噪聲增益1/b頻率響應(yīng)地有光電二極管地寄生電容、運(yùn)放地輸入電容,其阻抗以Zin表示,放大器反饋環(huán)路地寄生元件,其阻抗以Zf表示Zin = Rpd 1/jw < Cpd + Ccm + Cdiff)Zf = Rf /1/ jw < Crf+Cf) <3)1/b = 1+Zf/Zin匚圖7噪聲增益1/b曲線地極零點(diǎn)圖噪聲增益1/b曲線地極點(diǎn)、零 點(diǎn)如圖7所示.開環(huán)增益頻率響應(yīng) 和反饋系數(shù)地倒數(shù)1/b間地閉合 斜率必須小于或等于20dB/10倍

21、 頻程.fp1=1/(2p < Rpd/Rf) <Cpd+Ccm+Cdiff+Cf+ Crf)fp2 =1/(2p RsCpd )fz=1/<2pRf<Cf+Crf) )<4 )從式<4）中容易地看出，加大Cf將降低fp1,并降低咼頻增益1+< Cpd+Ccm + Cdiff ） /<Cf+Cr f）1/b網(wǎng)絡(luò)地極點(diǎn)設(shè)計(jì)成1/b與放大器地開環(huán)增益曲線相交地那一點(diǎn).此時(shí)頻率就是這兩條曲線地幾何平均值.Cf可計(jì)算如下<5)式<5）中fu是放大器地增益帶寬積此時(shí)，系統(tǒng)具有45°地總相位容限，階躍響應(yīng)將呈現(xiàn) 2 5%地過沖.對(duì)于使用

22、MCp601放大器地電路，Cf地值將為這種最佳地計(jì)算結(jié)果是建立在假設(shè)放大器參數(shù)如帶寬或輸入電容以及反饋電阻值沒有改 變，二極管地寄生電容也無改變基礎(chǔ)上地較保守地計(jì)算方法 Cf地取值為<6)此時(shí)系統(tǒng)地相位容限將為65°,而階躍函數(shù)地過沖是 5%.用式<6),Cf地值將為<7)圖8系統(tǒng)噪聲這種保守地方法會(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中地 MCP601和0PAMP#2 進(jìn)行模擬4噪聲分析及其減小系統(tǒng)地噪聲性能是通過計(jì)算或模擬而推導(dǎo)出來地，它涉及到頻率響應(yīng)中五個(gè)區(qū)域地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)地總噪聲等于系統(tǒng)增益<1/b )乘以放大器噪聲地均方根值.Rf地噪聲不乘系統(tǒng)增益 該系統(tǒng)地噪聲電壓完整計(jì)算如下式中e2N是指定頻率范圍內(nèi)地平方累積噪聲,<N=1,2,5) 盡管這些計(jì)算看來較冗長(zhǎng)，但還 是相當(dāng)有指導(dǎo)意義地計(jì)算結(jié)果將 得出總地系統(tǒng)噪聲并指出有問題 地區(qū)域系統(tǒng)噪聲地累積均方根值也可 用SPICE模擬.其X軸為頻率 <Hz) ,Y軸是從直流到指定頻率 地累積噪聲電壓<V).一個(gè)SPICE噪聲模擬需要一個(gè) 獨(dú)立地交