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1、光电二极管检测电路地工作原理及设计方案 导读: 本文论述了光电二极管检测电路地构成及工作原理,给出了光电二极管、前置运放、反馈网络地SPICE子模型及系统模型;着重分析了系统稳定性、噪声特性以及提高稳定性和减小噪声地措施.提供了采用通用电路模拟软件SPICE进行有关性能模拟地实例.oo 光检测电路SPICE模拟稳定性噪声特性b5E2RGbCAP 光电二极管及其有关地前置放大器是基本物理量和电子量之间地桥梁.许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用地数字信号.光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中.在这些电路中，光电二极管产生一种与照
2、明度成比例地微弱电流.而前置放大器将光电二极管传感器地电流输出信号转换为一种可用地电压信号.看起来好象用一种光电二极管、一种放大器和一种电阻便能轻易地实现简朴地电流至电压地转换，但这种应用电路却提出了一种问题地多种侧面.为了深入扩展应用前景，单电源电路还在电路地运行、稳定性及噪声处理方面显示出新地限制.p1EanqFDPw本文将分析并通过模拟验证这种经典应用电路地稳定性及噪声性能.首先探讨电路工作原理，然后假如读者有机会地话，可以运行一种SPICE模拟程序，它会很形象地阐明电路原理.以上两步是完毕设计过程地开始.第三步也是最重要地一步（本文未作讨论）是制作试验模拟板.DXDiTa9E3d1 光
3、检测电路地基本构成和工作原理设计一种精密地光检测电路最常用地措施是将一种光电二极管跨接在一种CMOS输入放大器地输入端和反馈环路地电阻之间.这种方式地单电源电路示于图1中.RTCrpUDGiT在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式.光电二极管上地入射光使之产生地电流ISC从负极流至正极，如图中所示.由于CMOS放大器反相输入端地输入阻抗非常高，二极管产生地电流将流过反馈电阻RF.输出电压会伴随电阻RF两端地压降而变化.5PCzVD7HxA图中地放大系统将电流转换为电压，即VOUT = ISC RF （1） 图1 单电源光电二极管检测电路jLBHrnAILg式（1）中，VOUT是运算
4、放大器输出端地电压，单位为V;ISC是光电二极管产生地电流，单位为A;RF是放大器电路中地反馈电阻，单位为W .图1中地CRF是电阻RF地寄生电容和电路板地分布电容，且具有一种单极点为1/（2p RF CRF）.xHAQX74J0X用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压地转换关系.模拟中可选地变量是放大器地反馈元件RF.用这个模拟程序，鼓励信号源为ISC，输出端电压为VOUT.LDAYtRyKfE此例中，RF地缺省值为1MW ，CRF为0.5pF.理想地光电二极管模型包括一种二极管和理想地电流源.给出这些值后，传播函数中地极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz.变化RF可在
5、信号频响范围内变化极点.Zzz6ZB2Ltk遗憾地是，假如不考虑稳定性和噪声等问题，这种简朴地方案一般是注定要失败地.例如，系统地阶跃响应会产生一种其数量难以接受地振铃输出，更坏地状况是电路也许会产生振荡.假如处理了系统不稳定地问题，输出响应也许仍然会有足够大地“噪声”而得不到可靠地成果.dvzfvkwMI1实现一种稳定地光检测电路从理解电路地变量、分析整个传播函数和设计一种可靠地电路方案开始.设计时首先考虑地是为光电二极管响应选择合适地电阻.第二是分析稳定性.然后应评估系统地稳定性并分析输出噪声，根据每种应用地规定将之调整到合适地水平.rqyn14ZNXI这种电路中有三个设计变量需要考虑分析
6、，它们是：光电二极管、放大器和R/C反馈网络.首先选择光电二极管，虽然它具有良好地光响应特性，但二极管地寄生电容将对电路地噪声增益和稳定性有极大地影响.此外，光电二极管地并联寄生电阻在很宽地温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题.为了保持良好地线性性能及较低地失调误差，运放应当具有一种较小地输入偏置电流（例如CMOS工艺）.此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统地稳定性和整体精度产生不利地影响.最终，R/C反馈网络用于建立电路地增益.该网络也会对电路地稳定性和噪声性能产生影响.EmxvxOtOco2 光检测电路地SPICE模型2.1 光电二极管地SPICE模型一种光电二
7、极管有两种工作方式：光致电压和光致电导，它们各有优缺陷.在这两种方式中，光照射到二极管上产生地电流ISC方向与一般地正偏二极管正常工作时地方向相反，即从负极到正极.SixE2yXPq5光电二极管地工作模型示于图2中，它由一种被辐射光激发地电流源、理想地二极管、结电容和寄生地串联及并联电阻构成.6ewMyirQFL 图2 非理想地光电二极管模型当光照射到光电二极管上时，电流便产生了，不一样二极管在不一样环境中产生地电流ISC、具有地CPD、RPD值以及图中放大器输出电压为05V所需地电阻RF值均不一样，例如SD-020-12-001硅光电二极管，在正常直射阳光（1000fc英尺-烛光）时，ISC
8、=30m A、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=167kW ;睛朗白天（100fc）时，ISC = 3m A、CPD=50pF、RPD= 1000 MW 、RF=1.67MW ;桌上室内光（1.167fc）时，ISC=35nA、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=142.9MW .可见光照不一样步，ISC有明显变化，而CPD、RPD基本不变.kavU42VRUs工作于光致电压方式下地光电二极管上没有压降，即为零偏置.在这种方式中，为了光敏捷度及线性度，二极管被应用到最大程度，并合用于精密应用领域.影响电路性能地关键寄生元件为CPD和RPD，它们会影响光检测电路地频率稳
9、定性和噪声性能.y6v3ALoS89结电容CPD是由光电二极管地P型和N型材料之间地耗尽层宽度产生地.耗尽层窄，结电容地值大.相反，较宽地耗尽层（如PIN光电二极管）会体现出较宽地频谱响应.硅二极管结电容地数值范围大概从20或25pF到几千pF以上.结电容对稳定性、带宽和噪声等性能产生地重要影响将在下面讨论.M2ub6vSTnP在光电二极管地数据手册中，寄生电阻RPD也称作“分流”电阻或“暗”电阻.该电阻与光电二极管零偏或正偏有关.在室温下，该电阻地经典值可超过100MW .对于大多数应用，该电阻地影响可被忽视.0YujCfmUCw分流电阻RPD是重要地噪声源，这种噪声在图2中示为ePD.RP
10、D产生地噪声称作散粒噪声（热噪声），是由于载流子热运动产生地.eUts8ZQVRd二极管地第二个寄生电阻RS称为串联电阻，其经典值从10W 到1000W .由于此电阻值很小，它仅对电路地频率响应有影响.光电二极管地漏电流IL是引起误差地第四个原因.假如放大器地失调电压为零，这种误差很小.sQsAEJkW5T与光致电压方式相反，光致电导方式中地光电二极管具有一种反向偏置电压加至光传感元件地两端.当此电压加至光检测器上时，耗尽层地宽度会增长，从而大幅度地减小寄生电容CPD地值.寄生电容值地减小有助于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化.这个问题地折衷设计将增长二极管地漏电流IL和线性误差.G
11、MsIasNXkA下面将集中讨论光致电压方式下地光电二极管地应用领域.2.2 运放地SPICE模型运算放大器具有范围较宽地技术指标及性能参数，它对光检测电路地稳定性和噪声性能影响很少.其重要参数示于图3地模型中，它包括一种噪声源电压、每个输入端地寄生共模电容、输入端之间地寄生电容及与频率有关地开环增益.TIrRGchYzg输入差分电容CDIFF和输入共模电容CCM是直接影响电路稳定性和噪声性能地寄生电容.这些寄生电容在数据手册中一般规定为经典值，基本不随时间和温度变化.7EqZcWLZNX另一种波及到输入性能地是噪声电压，该参数可模拟为运放同相输入端地噪声源.此噪声源为放大器产生地所有噪声地等
12、效值.运用此噪声源可建立放大器地所有频谱模型，包括1/f噪声或闪烁噪声以及宽带噪声.讨论中假设采用CMOS输入放大器，则输入电流噪声地影响可忽视不计.lzq7IGf02E 图3 非理想地运放模型当运行SPICE噪声模拟程序时，必须使用一种独立地交流电压源或电流源.为了模拟放大器地输入噪声RTI，一种独立地电压源VIN应加在放大器地同相输入端.此外，电路中地反馈电阻保持较低值（100W ），以便在评估中不影响系统噪声.zvpgeqJ1hk图3模型中地最终一种技术指标为在频率范围内地开环增益AOL（jw ），经典状况下，在传播函数中该响应特性至少有两个极点，该特性用于确定电路地稳定性.NrpoJa
13、c3v1在这个应用电路中，对运放有影响而未模拟地另一种重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围.一般而言，输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值，而输出摆幅必须尽量地摆动到负电源幅值.大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压如下0.3V地共模范围.由于同相输入端接地，此类性能非常适合于本应用领域.当放大器对地地负载电阻为不不小于RF /10时，则单电源放大器地输出摆幅可最优化.假如采用这种措施，最坏状况下放大器负载电阻地噪声也仅为总噪声地0.5%.1nowfTG4KISPICE宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数.一种放大器宏模型会具有合适地开环增益频率响应、输入共模范围和不那么理想地输出摆幅范围
14、.表1中列出了本文使用地三个放大器宏模型地特性.fjnFLDa5Zo光电二极管和放大器地寄生元件对电路地影响可轻易地用SPICE模拟加以阐明.例如，在理想状况下，可以通过使用ISC地方波函数和观测输出响应来进行模拟.tfnNhnE6e52.3 反馈元件模型本应用中应当考虑地第三个即最终一种变量是放大器地反馈系统.图4示出一种反馈网络模型.在图4中，分离地反馈电阻RF也有一种噪声成分eRF和一种寄生电容CRF.寄生电容CRF为电阻RF及与电路板/接线板有关地电容.此电容地经典值为0.5pF到1.0pF.CF是反馈网络模型中包括地第2个分离元件，用于稳定电路. 图4 图1所示系统反馈电路地寄生元件
15、模型表1 本文提到地运放宏模型特性将三个子模型（光电二极管、运放和反馈网络）组合起来可构成光检测电路地系统模型.如图5所示.3 系统模型地互相影响和系统稳定性分析当光电二极管配置为光致电压工作方式时，图5所示地系统模型可用来定性分析系统地稳定性.这个系统模型地SPICE能模拟光电二极管检测电路地频率及噪声响应.尤其是在进入硬件试验此前，通过模拟手段可以轻易地验证并设计出良好地系统稳定性.该过程是评估系统地传播函数、确定影响系统稳定性地关键变量并作对应调整地过程.HbmVN777sL该系统地传播函数为（2） 图5 原则光检测电路地系统模型式（2）中，AOL（jw ）是放大器在频率范围内地开环增益.b 是系统反馈系数，等于1/（1+ZF/ZIN）.1/b 也称作系统地噪声增益.V7l4jRB8HsZIN是输入阻抗，等于RPD/1/jw （CPD+CCM+ CDIFF）;ZF是反馈阻抗，等于RF /1/jw （CRF+CF）.83lcPA59W9通过赔偿AOL（jw ） b 地相位可确定系统地稳定性，这可凭经验用AOL（jw ）和1/b 地Bode图来实现.图6中地
