精密的單電源光檢測電路設(shè)計方案

摘 要 論述了光電二極管檢測電路的組成及工作原理,給出了光電二極管、前置運放、反饋網(wǎng)絡(luò)的SPICE子模型及系統(tǒng)模型;著重分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性、噪聲特性以及提高穩(wěn)定性和減小噪聲的方法。提供了采用通用電路模擬軟件SPICE進(jìn)行相關(guān)性能模擬的實例。

關(guān)鍵詞 光檢測電路 SPICE模擬 穩(wěn)定性 噪聲特性

光電二極管及其相關(guān)的前置放大器是基本物理量和電子量之間的橋梁。許多精密應(yīng)用領(lǐng)域需要檢測光亮度并將之轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)字信號。光檢測電路可用于CT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。在這些電路中,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傳感器的電流輸出信號轉(zhuǎn)換為一個可用的電壓信號。看起來好象用一個光電二極管、一個放大器和一個電阻便能輕易地實現(xiàn)簡單的電流至電壓的轉(zhuǎn)換,但這種應(yīng)用電路卻提出了一個問題的多個側(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的運行、穩(wěn)定性及噪聲處理方面顯示出新的限制。

本文將分析并通過模擬驗證這種典型應(yīng)用電路的穩(wěn)定性及噪聲性能。首先探討電路工作原理,然后如果讀者有機(jī)會的話,可以運行一個SPICE模擬程序,它會很形象地說明電路原理。以上兩步是完成設(shè)計過程的開始。第三步也是最重要的一步（本文未作討論）是制作實驗?zāi)M板。

式（1）中,V_OUT是運算放大器輸出端的電壓,單位為V;I_SC是光電二極管產(chǎn)生的電流,單位為A;R_F是放大器電路中的反饋電阻,單位為W 。圖1中的C_RF是電阻R_F的寄生電容和電路板的分布電容,且具有一個單極點為1/（2p R_F C_RF）。

用SPICE可在一定頻率范圍內(nèi)模擬從光到電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系。模擬中可選的變量是放大器的反饋元件R_F。用這個模擬程序,激勵信號源為I_SC,輸出端電壓為V_OUT。

此例中,R_F的缺省值為1MW ,C_RF為0.5pF。理想的光電二極管模型包括一個二極管和理想的電流源。給出這些值后,傳輸函數(shù)中的極點等于1/（2p R_FC_RF）,即318.3kHz。改變R_F可在信號頻響范圍內(nèi)改變極點。

遺憾的是,如果不考慮穩(wěn)定性和噪聲等問題,這種簡單的方案通常是注定要失敗的。例如,系統(tǒng)的階躍響應(yīng)會產(chǎn)生一個其數(shù)量難以接受的振鈴輸出,更壞的情況是電路可能會產(chǎn)生振蕩。如果解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題,輸出響應(yīng)可能仍然會有足夠大的“噪聲”而得不到可靠的結(jié)果。

實現(xiàn)一個穩(wěn)定的光檢測電路從理解電路的變量、分析整個傳輸函數(shù)和設(shè)計一個可靠的電路方案開始。設(shè)計時首先考慮的是為光電二極管響應(yīng)選擇合適的電阻。第二是分析穩(wěn)定性。然后應(yīng)評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性并分析輸出噪聲,根據(jù)每種應(yīng)用的要求將之調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)乃健?/span>

這種電路中有三個設(shè)計變量需要考慮分析,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,雖然它具有良好的光響應(yīng)特性,但二極管的寄生電容將對電路的噪聲增益和穩(wěn)定性有極大的影響。另外,光電二極管的并聯(lián)寄生電阻在很寬的溫度范圍內(nèi)變化,會在溫度極限時導(dǎo)致不穩(wěn)定和噪聲問題。為了保持良好的線性性能及較低的失調(diào)誤差,運放應(yīng)該具有一個較小的輸入偏置電流（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系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體精度產(chǎn)生不利的影響。最后,R//C反饋網(wǎng)絡(luò)用于建立電路的增益。該網(wǎng)絡(luò)也會對電路的穩(wěn)定性和噪聲性能產(chǎn)生影響。

當(dāng)光照射到光電二極管上時,電流便產(chǎn)生了,不同二極管在不同環(huán)境中產(chǎn)生的電流I_SC、具有的C_PD、R_PD值以及圖中放大器輸出電壓為0~5V所需的電阻R_F值均不同,例如SD-020-12-001硅光電二極管,在正常直射陽光（1000fc[英尺-燭光]）時,I_SC=30m A、C_PD=50pF、R_PD=1000MW 、R_F=167kW ;睛朗白天（100fc）時,I_SC = 3m A、C_PD=50pF、R_PD= 1000 MW 、R_F=1.67MW ;桌上室內(nèi)光（1.167fc）時,I_SC=35nA、C_PD=50pF、R_PD=1000MW 、R_F=142.9MW ?？梢姽庹詹煌瑫r,I_SC有顯著變化,而C_PD、R_PD基本不變。

工作于光致電壓方式下的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。影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為C_PD和R_PD,它們會影響光檢測電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。

結(jié)電容C_PD是由光電二極管的P型和N型材料之間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層窄,結(jié)電容的值大。相反,較寬的耗盡層（如PIN光電二極管）會表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約從20或25pF到幾千pF以上。結(jié)電容對穩(wěn)定性、帶寬和噪聲等性能產(chǎn)生的重要影響將在下面討論。

在光電二極管的數(shù)據(jù)手冊中,寄生電阻R_PD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,該電阻的典型值可超過100MW 。對于大多數(shù)應(yīng)用,該電阻的影響可被忽略。

分流電阻R_PD是主要的噪聲源,這種噪聲在圖2中示為e_PD。R_PD產(chǎn)生的噪聲稱作散粒噪聲（熱噪聲）,是由于載流子熱運動產(chǎn)生的。

二極管的第二個寄生電阻R_S稱為串聯(lián)電阻,其典型值從10W 到1000W 。由于此電阻值很小,它僅對電路的頻率響應(yīng)有影響。光電二極管的漏電流I_L是引發(fā)誤差的第四個因素。如果放大器的失調(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)方式中的光電二極管具有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測器上時,耗盡層的寬度會增加,從而大幅度地減小寄生電容C_PD的值。寄生電容值的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。這個問題的折衷設(shè)計將增加二極管的漏電流I_L和線性誤差。

下面將集中討論光致電壓方式下的光電二極管的應(yīng)用領(lǐng)域。