如何為互阻抗放大器電路選擇組件

　　在高精度光電轉換應用中，我們經常使用光電二極管和互阻抗放大器將光信號轉換為電信號，并將其放大。如圖1所示，通過R1的光電流可在放大器輸出端產生電壓，實現(xiàn)電流電壓轉換。這是最簡單、最常用的光電轉換電路。本文將介紹如何在已有光電二極管的情況下選擇放大器，如何在已有放大器的情況下選擇光電二極管，以及如何優(yōu)化反饋電阻器R1及補償電容器C1。

　　圖1：最簡單的常用光電轉換電路

　　圖2是開環(huán)增益(Aol)、互阻抗(電流至電壓 I-V)增益以及整個頻率下的噪聲增益。根據(jù)圖2，在互阻抗電路設計過程中，我們必須考慮零點、極點以及放大器GBW(fc)，以滿足系統(tǒng)要求。

　　圖2：互阻抗放大器的頻率響應

　　硅光電二極管、PIN二極管和APD二極管是三種典型的光電二極管。硅光電二極管專為高精度光度測定領域設計，因為它們具有高靈敏度與低暗電流。PIN二極管能夠以低偏置電壓提供大帶寬，一般用于高速光度測定與光通信。APD二極管具有高內部增益機制、快速時間響應以及紫外至近紅外區(qū)的高靈敏度，主要用于高速遠距離光通信系統(tǒng)。

　　硅光電二極管的主要規(guī)范有光譜響應、光靈敏度、暗電流、終端電容、分流電阻、響應時間以及噪聲等效功率。運算放大器規(guī)范也很重要。在本應用中，我們更關注放大器的偏置電流、失調、GBW、噪聲、輸入電容以及輸出軌。選擇運算放大器時，首先應選擇JFET或CMOS放大器。JFET與CMOS輸入放大器具有極低的偏置電流，非常適合光電轉換。

　　在光電二極管規(guī)范確定后，如何選擇放大器、R1和C1：

　　在本部分中，我們將探討在指定了系統(tǒng)帶寬(BW0)和光電二極管特征(光電二極管結點電容Cd和光電二極管分流電阻Rsh)的情況下如何選擇組件。目標是選擇放大器、反饋電阻器和補償電容器?，F(xiàn)在我們已知的參數(shù)有BW0、Cd和Rsh。在光電轉換過程中，輸出噪聲可影響電路靈敏度。光電二極管在應用中的最大輸出電流由輸入光學功率以及光電二極管規(guī)范決定。因此，我們可通過在開始進行計算或測量來確定光電二極管的最大輸出電流Iomax。

　　放大器具有輸出軌限制，從來不會超過電源范圍。某些放大器輸出軌非常接近電源軌，而某些輸出軌卻有極大限制。我們可以參考運算放大器產品說明書，了解具體電軌限制。為讓放大器工作在線性區(qū)域，我們必須限制反饋電阻器的值。在設計電路時，可能會有放大器偏置電流、輸入失調以及二極管暗電流造成的大量輸出失調。輸出失調不僅會限制放大器的AC動態(tài)范圍，而且還會限制反饋電阻器的值：

　　如果R1太小，放大器AC輸出動態(tài)范圍就很浪費。另一方面，大型R1會增大電路輸出噪聲，如圖3所示。

　　圖3：反饋電阻器對噪聲增益的影響

　　從圖2 我們知道，I-V 增益帶寬由極點頻率fpf決定，而fpf又由反饋電阻器R1和補償電容器C1決定，因此

。噪聲增益曲線上的零點(fzf)和極點(fpf)構成了噪聲曲線。極點和零點是決定總噪聲的兩個主要因素。零點fzf由R1和Ci(Ci=Cd+Ci-OPA，即二極管結點電容Cd和放大器輸入電容Ci-OPA之和)決定。極點 fpf由R1和C1決定。

　　較大電路帶寬需要較小補償電容，但較小補償電容將增大噪聲增益，導致輸出更大噪聲，降低分辨率，如圖4 所示。

　　圖4：補償電容對噪聲增益的影響