在用于光檢測(cè)的固態(tài)檢波器中，光電二極管仍然是基本選擇。光電二極管廣泛用于光通信和醫(yī)療診斷。其他應(yīng)用包括色彩測(cè)量、信息處理、條形碼、相機(jī)曝光控制、電子束邊緣檢測(cè)、傳真、激光準(zhǔn)直、飛機(jī)著陸輔助和導(dǎo)彈制導(dǎo)。

光能傳輸?shù)狡渲幸粋€(gè)傳感器產(chǎn)生電流，由高精度前置放大器進(jìn)一步處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理形成了整個(gè)信號(hào)鏈的其余部分。

選擇傳感器和設(shè)計(jì)模擬前端的過(guò)程可減少為七步：

1. 描述要測(cè)量的信號(hào)和設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2. 選擇合適的傳感器并描述其電氣輸出。

3. 確定可以獲得的最大增益。

4. 確定前置放大器級(jí)的最優(yōu)放大器。

5. 設(shè)計(jì)完整的傳感器和前置放大器增益模塊

6. 運(yùn)行仿真。

7. 在構(gòu)建硬件和進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)要多加注意。

若要將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)一步處理，需要了解光源的交 直流特征、光源信號(hào)幅度、預(yù)期的測(cè)量分辨率和系統(tǒng)中 可用的電源。了解信號(hào)幅度特征和噪聲水平，為如何選 擇傳感器、增益模塊中必需的增益、以及選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換 器(ADC)時(shí)可能需要什么樣的輸入電壓范圍和噪聲水平 提供了依據(jù)。

假設(shè)在室溫條件下，有一個(gè)光源發(fā)出光亮度為50 pW至 250 nW(0.006勒克斯)的1 kHz光脈沖。這是非常低的光量， 需要非常精密的信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理鏈。目標(biāo)是用16位的 分辨率和精度來(lái)捕捉和處理此信號(hào)。達(dá)到此分辨率意味著 測(cè)量精度需要達(dá)到3.8 pW。

另外，假設(shè)系統(tǒng)中可使用+12-V和–12-V電源。設(shè)計(jì)師在此 基礎(chǔ)上，可以計(jì)算信噪比(SNR)并設(shè)計(jì)電路。

第2步：傳感器選擇

設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)優(yōu)化用于光電模式或光敏模式的光電二極管。響應(yīng)度是檢波器輸出與檢波器輸入的比率，是光電二極管的關(guān)鍵參數(shù)。其單位為A/W或V/W。

大面積銦鎵砷化物(InGaAs)光電二極管用于儀表測(cè)量和感測(cè)應(yīng)用，與高速模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)、儀表測(cè)量和感測(cè)場(chǎng)合所用的高速光電二極管相比，大面積銦鎵砷化物在 600至800納米附近具有更佳的響應(yīng)性能。

無(wú)光時(shí)，向短路的光電二極管施加一個(gè)電壓得到電流Is。

照射該二極管會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的反電流Ilight。總電流Isc 為：

公式2中，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)限制了Isc的線性度，但從廣義上講可以忽略。實(shí)際上，Isc與入射光級(jí)度基本上呈線性關(guān)系，可以近似為：

若要檢測(cè)少量光，設(shè)計(jì)師必須指定大面積光電二極管，其最低預(yù)期發(fā)射光乘以響應(yīng)度，得到的電流要大于光電二極管的暗電流。這將產(chǎn)生高于光電二極管傳感器本底噪聲的信號(hào)。對(duì)于光波長(zhǎng)超過(guò)1100納米的硅光電二極管，通常響應(yīng)度小于0.7 A/W。本例中選擇Hamamatsu S1336(表1)。

光電二極管的預(yù)期電流可以從光源的預(yù)期光功率計(jì)算得出，公式為：

如果光源在所選光電二極管的有效面積上耗光了能量，則只需計(jì)算公式4。若要進(jìn)行16位轉(zhuǎn)換，則有必要解析為一半的最低有效位(LSB)或0.95 pA。

Hamamatsu光電二極管的有效面積為5.7 mm2，且采用圓形陣列。傳感器和光源之間也有必要使用光纖。光纜的橫截面積可能比我們的光電二極管大。通常，這種情形的光功率測(cè)量單位為W/cm2。光電二極管的面積以cm2表示，結(jié)果為57 x 10–3 cm2。對(duì)于測(cè)量單位為W/cm2 的同樣 25 pA光源輸出電流，必需的功率為：

硅光電二極管的噪聲特征決定了光檢測(cè)的下限。如圖1所示的光電二極管等效電路，捕捉了三個(gè)噪聲源：

二極管的噪聲是二極管分流電阻產(chǎn)生的熱噪聲。

第3步：增益模塊計(jì)算

前置放大器在高背景噪聲環(huán)境中提取傳感器生成的小信號(hào)。光電導(dǎo)體的前置放大器有兩類：電壓模式和跨導(dǎo)(圖3)。

圖3c所示的跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的精密線性傳感性能是通過(guò)“零偏壓”光電二極管實(shí)現(xiàn)的。在此配置中，光電二極管發(fā)現(xiàn)輸出間存在短路，按照公式3 (Isc = Ilight)，基本上不存在“暗”電流。

I/V(跨導(dǎo))轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和輸入電流之間的理想關(guān)系(增益)可以表示為：

使用的反饋電阻值定義轉(zhuǎn)換器的增益(有時(shí)稱為靈敏度)。

若電流轉(zhuǎn)電壓增益極高，則生成的Rf與其他限制的允許值一樣大。設(shè)計(jì)師應(yīng)選擇足夠大的電阻，以使得傳感器的最小輸出電流足以進(jìn)行測(cè)量，且最大電流不會(huì)讓放大器飽和。

若阻值升高，此電阻也會(huì)出現(xiàn)明顯的熱直流電壓漂移，與放大器輸入電流的溫度系數(shù)所反映的情形相同。為了補(bǔ)償此誤差，通常在放大器同相輸入端串聯(lián)一個(gè)相同的電阻，并通過(guò)容性旁路消除其大部分噪聲。若要實(shí)現(xiàn)最大信噪比，必須避免多級(jí)增益。

隨著阻值繼續(xù)升高，其容差和溫度額定值明顯下降。例如，找到容差為0.01%的1 kΩ電阻比較簡(jiǎn)單，但要找到相同容差的10 MΩ電阻就很困難而且成本很高。

可使用串聯(lián)低值電阻來(lái)形成更大的阻值，與多級(jí)增益配合使用低值電阻，或使用“T型網(wǎng)絡(luò)”電路來(lái)解決此問(wèn)題。遺憾的是需要平衡這些優(yōu)勢(shì)，采用大反饋電阻可能會(huì)出錯(cuò)，還可能引起不穩(wěn)定的問(wèn)題。這些問(wèn)題稍后解決。

另外，本設(shè)計(jì)示例采用了阻值非常高的電阻：Rf = 80 MΩ。

這就必須把最低和最高光電二極管電流轉(zhuǎn)換為更易于測(cè)量的輸出電壓，公式為：

圖2. 光電二極管與跨導(dǎo)放大器接口

第4步：確定前置放大器級(jí)的最優(yōu)放大器

光電二極管暴露在光線下且使用圖2c的電路時(shí)，電流將流到運(yùn)算放大器的反相節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。若負(fù)載(RL)為0 Ω且VOUT = 0 V，則理論上光電二極管會(huì)出現(xiàn)短路。實(shí)際上，這兩種狀況都絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)。RL等于Rf/Aopen_loop_Gain，而VOUT是放大器反饋配置施加的虛擬地。

圖3. 短路狀況下的光電二極管

若缺少光時(shí)向短路的光電二極管施加電壓，會(huì)生成所謂的 “暗電流”。因此，放大器必須具有很大的開(kāi)環(huán)增益，設(shè)計(jì) 師必須創(chuàng)建最佳“虛擬地”。這意味著放大器輸入之間的誤 差極小。Rphoto上與0 V的偏差會(huì)因放大器非理想狀態(tài)而引起誤差電流。這些誤差源是顯而易見(jiàn)的：

這需要一個(gè)引入的誤差最小的放大器。換言之，設(shè)計(jì)師選擇的放大器在其反饋電阻配置為RF = 80 MΩ 時(shí)，輸出誤差不得超過(guò)2 mV。還必須確保放大器的上升和下降時(shí)間少于勵(lì)磁激光二極管源的上升和下降時(shí)間。

公式9中未出現(xiàn)但可改善設(shè)計(jì)精度的幾個(gè)其他放大器參數(shù)為：

? 低失調(diào)電壓溫度漂移

? 低輸入偏置電流溫度漂移

? 高輸入阻抗

? 低輸入電容

? 低輸入電流噪聲密度

? 寬帶寬

選擇合適的放大器時(shí)還需考慮報(bào)價(jià)、封裝尺寸和功耗。

如上所述，I/V轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和輸入電流之間的關(guān)系實(shí)際就是轉(zhuǎn)換器的增益，公式為：

如這些公式所示，Vο公式存在誤差項(xiàng)，必須盡可能降低。例如，若選用aο很大的放大器，aοβ項(xiàng)升高，而1/aοβ降低。這使得誤差項(xiàng)更小。

本例中，我們選用工作電壓為±12 V的精密運(yùn)算放大器AD8627，它具有極低的噪聲、低偏置電流和寬帶寬。查看AD8627的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可獲得如下特性規(guī)格：IB = 1 pA，ft = 5 MHz，f = 1 kHz時(shí)en = 16 nV/√Hz，Ccom =3.8 pF，Cdi = 4.1 pF。IC制造商提供在線搜索和選擇工具，可根據(jù)用戶要求選擇部件。表2列出了適合光電傳感的幾個(gè)放大器。

表2. 適用于光電二極管應(yīng)用的高壓FET輸入放大器

第5步：增益模塊

光電二極管與圖2c配置的放大器相連時(shí)，該放大器經(jīng)常會(huì)振蕩。如前文所述，放大器反饋中的大阻值電阻會(huì)造成異常行為并引起振蕩。設(shè)計(jì)師必須確保選用合適的放大器，且與傳感器組合使用時(shí)放大器工作穩(wěn)定。

電路的響應(yīng)或帶寬、峰化或過(guò)沖以及噪聲或信噪比(SNR)等性能，會(huì)變得非常復(fù)雜，呈非線性，且主要取決于轉(zhuǎn)換器電路中有源和無(wú)源元件之間的相互影響。替代電路模型可用于得出更貼近實(shí)際的分析(圖4)。圖4考慮了這種解決方案的所有非理想狀況，能夠讓設(shè)計(jì)師實(shí)施建模，使用極點(diǎn)/零點(diǎn)分析，避免以后出現(xiàn)問(wèn)題。

圖4. 替代電路模型可用于分析圖2c所示電路

大反饋電阻和輸入電容之間的相互作用會(huì)把零點(diǎn)引入極點(diǎn)/零點(diǎn)穩(wěn)定性分析。如果Cphoto足夠大，在開(kāi)環(huán)跨導(dǎo)增益與噪聲增益函數(shù)相交(圖5)的交越頻率，閉環(huán)相移將接近?180。

圖5. 穩(wěn)定性分析說(shuō)明了大反饋電阻和輸入電容之間的相互作用

為保持45相位余量和穩(wěn)定性，反饋中需要將一個(gè)小電容與Rf并聯(lián)。此電容的值與放大器輸入端的輸入電容有關(guān)。放大器的輸入電容小，則Cf值小。電路中使用更小的Cf時(shí)，放大器的更多帶寬將用于現(xiàn)有的應(yīng)用。

帶寬和靈敏度直接相關(guān)，要通過(guò)選擇Rf來(lái)權(quán)衡使用。例如反饋電容(Cf = 2 pF)與Rf并聯(lián)時(shí)，Cphoto= 20 pF及Rf = 80 MΩ的光電二極管將具有1 kHz的最大帶寬。

另外，如果需要10 kHz帶寬，則設(shè)計(jì)師可能要選擇最大Rf = 8 MΩ，Cf的電容仍然可以是2 pF。此概念可用于設(shè)計(jì)可編程的帶寬來(lái)處理不同輸入信號(hào)，例如1 kHz和10 kHz。

設(shè)計(jì)師必須分析帶寬和噪聲，確認(rèn)所選的放大器正好適合設(shè)計(jì)所用。這樣也就可以理解為什么選擇低輸入電容和帶寬的AD8627很重要。

可以看到，選擇Cphoto值較高的大面積光電二極管，其fx會(huì)小很多(即帶寬較低)。一個(gè)可能的補(bǔ)救措施是選擇帶寬(ft)非常寬的放大器。然而，這樣會(huì)引起其他問(wèn)題，比如更多噪聲。

這種情形下，AD8627放大器必須具有極低的電壓噪聲，才能在大面積光電二極管跨導(dǎo)放大器應(yīng)用場(chǎng)合獲得較低的總噪聲。這點(diǎn)很有必要，因?yàn)榭鐚?dǎo)電路的噪聲增益會(huì)隨著頻率急劇上升(噪聲增益 = 1 + Zf/Xc)，它影響電壓噪聲和電阻噪聲，但不會(huì)影響電流噪聲。如公式12所示，計(jì)算了I/V轉(zhuǎn)換器和光電二極管組合時(shí)高于0.01 Hz的總噪聲：

假設(shè)AD8627(IB = 1 pA，ft = 5 MHz，f = 1 kHz時(shí)en = 16 nV/√Hz，Ccom = 3.8 pF，Cdi = 4.1 pF)與Hamamatsu光電二極管(Rphoto =

2 GΩ，Cphoto = 20 pF)一起使用。另外，Rf = 80 MΩ，Cfeedback = Crf + Cf = 2 pF。根據(jù)上述信息，輸入電容為Cin = Cphoto + Ccom + Cdi = 20 pF + 3.8 pF + 4.1 pF = 28 pF。

I/V電路的噪聲增益主要受制于en，而in和iR的噪聲增益與信號(hào)增益一致(圖6)。主要噪聲是fx附近的enoe和fp附近的熱噪聲enoR。

因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)采用JFET輸入放大器，所以電流噪聲幾乎可以忽略不計(jì)。

第6步：仿真

光電二極管制造商不提供產(chǎn)品的SPICE模型，但可以從ADI公司網(wǎng)站下載放大器SPICE模型。設(shè)計(jì)師還可以從ADI網(wǎng)站下載National Instruments提供的免費(fèi)版SPICE仿真軟件MultiSim。

該軟件環(huán)境提供了光電二極管的LabVIEW

跨導(dǎo)模型，允許根據(jù)設(shè)計(jì)示例中使用的具體光電二極管進(jìn)行定制(圖7a)。必須先運(yùn)行仿真，再構(gòu)建任何板卡。由于噪聲增益路徑(圖7b)中引入了零點(diǎn)，所以可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定。

圖7. 光電二極管電路的噪聲電路分析

為ADI公司跨導(dǎo)放大器示例模型提供的National Instruments MultiSim用戶界面具有Hamamatsu光電二極管的特征，可進(jìn)一步分析(圖7a)。MultiSim仿真說(shuō)明了噪聲增益路徑中引入零點(diǎn)造成的不穩(wěn)定(圖7b)。改變反饋電阻上的電容會(huì)影響可用的帶寬(圖7c)。

如上文所述，必須在反饋電阻上放置2 pF電容來(lái)引入一個(gè)極點(diǎn)，從而取消此零點(diǎn)。2 pF反饋電容是理論值。可以分析不同值對(duì)設(shè)計(jì)電路可用帶寬的影響(圖7c)。還可以通過(guò)監(jiān)控輸出來(lái)校驗(yàn)電路帶寬，其?3 dB帶寬為1 kHz。

第7步：硬件驗(yàn)證

除了使用非常干凈的電源外，超低光檢測(cè)電路還需要采用最佳實(shí)踐的規(guī)則和做法，才能減少所有噪聲源的噪聲，包括環(huán)境電磁噪聲和所有泄漏源噪聲。低壓應(yīng)用可使用電池，但需要使用RC或LC濾波器設(shè)置電源旁路。

成功與否的其他關(guān)鍵因素包括電路板用高絕緣電阻材料制成。為了避免泄漏到測(cè)量電路中，必須使用護(hù)圈或特氟龍支柱，將光電二極管引腳無(wú)線連接到運(yùn)算放大器的輸入端子。反饋電阻和電容同樣如此。

屏蔽電纜和電路采用金屬屏蔽盒是良好的防電磁干擾(EMI)措施。在要求更高的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)師可在光源和光電二極管之間使用光纖。

ADI公司設(shè)計(jì)了25 pA至125 nA范圍的示例電路。超出此范圍的任何信號(hào)均會(huì)令放大器飽和，并影響總體性能。如果需要更寬的范圍，可以與反饋電阻串聯(lián)一個(gè)低泄漏開(kāi)關(guān)。然后可根據(jù)不同的靈敏度，使用其他反饋電路。

審核編輯：郭婷