光電二極管是許多基于光的測量中最受歡迎的傳感器類型之一。吸收和發射光譜、色度測量、濁度、氣體檢測等應用都依賴于光電二極管進行精密光測量。

光電二極管產生的電流與照射到其有效區域的光成比例。大多數測量應用涉及使用跨阻放大器將光電二極管電流轉換為輸出電壓。圖1顯示了電路的簡化原理圖。

圖1.簡單的跨阻放大器電路。

該電路在光伏模式下工作光電二極管，其中運算放大器將光電二極管兩端的電壓保持在0 V。這是精密應用中最常見的配置。光電二極管的電壓與電流曲線與常規二極管非常相似，不同之處在于整個曲線會隨著光照水平的變化而向上或向下移動。圖2a顯示了典型的光電二極管傳遞函數。圖2b是傳遞函數的放大圖，顯示了光電二極管如何在沒有光的情況下輸出小電流。這種“暗電流”隨著光電二極管兩端反向電壓的增加而增長。大多數制造商指定光電二極管暗電流的反向電壓為10 mV。

圖2.典型的光電二極管傳遞函數。

當光線照射到光電二極管的有效區域時，電流從陰極流向陽極。理想情況下，所有光電二極管電流流過圖1所示的反饋電阻，產生的輸出電壓等于光電二極管電流乘以反饋電阻。該電路在概念上很簡單，但您必須解決一些挑戰才能從系統中獲得最佳性能。

DC 注意事項

第一個挑戰是選擇具有符合應用要求的直流規格的運算放大器。大多數精密應用在列表頂部具有低輸入失調電壓。輸入失調電壓出現在放大器的輸出端，導致整體系統誤差，但在光電二極管放大器中，它會產生額外的誤差。輸入失調電壓出現在光電二極管兩端，導致暗電流增加，從而進一步增加系統失調誤差。您可以通過軟件校準、交流耦合或兩者的組合來消除初始直流失調，但較大的失調誤差會降低系統的動態范圍。幸運的是，有多種運算放大器可供選擇，其輸入失調電壓在數百甚至數十微伏。

下一個重要的直流規格是運算放大器的輸入漏電流。進入運算放大器輸入端或通過反饋電阻以外的其他任何位置的任何電流都會導致測量誤差。沒有零輸入偏置電流的運算放大器，但一些CMOS或JFET輸入運算放大器接近。例如，AD8615在室溫下的最大輸入偏置電流為1 pA。經典AD549的最大輸入偏置電流為60 fA，經過保證和生產測試。FET輸入放大器的輸入偏置電流隨著溫度的升高呈指數級增長。許多運算放大器的規格為85°C或125°C，但對于那些沒有的，一個很好的近似值是，溫度每升高10度，電流就會翻倍。

另一個挑戰是設計電路和布局，以最大限度地減少可能破壞低輸入偏置電流運算放大器性能的外部泄漏路徑。最常見的外部泄漏路徑是通過印刷電路板本身。例如，圖3顯示了圖1的光電二極管放大器原理圖的一種可能布局。粉紅色走線是+5 V電源軌，為放大器供電并斷開到電路板的其他部分。如果+5 V走線和承載光電二極管電流的走線之間的電路板電阻為5 GΩ（顯示為RL在圖3中，1 nA電流將從+5 V走線流入放大器。這顯然會破壞為應用仔細選擇1 pA運算放大器的目的。最小化這種外部泄漏路徑的一種方法是增加承載光電二極管電流的走線與任何其他走線之間的電阻。這可以像在跟蹤周圍添加大型路由禁止項一樣簡單，以增加與其他跟蹤的距離。對于某些極端應用，一些工程師將完全消除PCB布線，并將光電二極管引線穿過空氣直接送入運算放大器的輸入引腳。

圖3.帶泄漏路徑的光電二極管布局。

防止外部泄漏的另一種方法是在承載光電二極管電流的走線附近運行保護走線，確保兩者被驅動到相同的電壓。圖4顯示了承載光電二極管電流的網絡周圍的保護跡線。由+5 V走線引起的漏電流現在流經RL進入保護走線，而不是進入放大器。在該電路中，保護走線和輸入走線之間的電壓差僅由運算放大器的輸入失調電壓引起，這也是選擇低輸入失調電壓放大器的另一個原因。

圖4.使用保護走線減少外部泄漏。

交流注意事項

雖然大多數精密光電二極管應用往往是低速的，但我們仍然需要確保系統的交流性能足以滿足應用的需求。這里的兩個主要問題是信號帶寬（或閉環帶寬）和噪聲帶寬。

閉環帶寬取決于放大器的開環帶寬、增益電阻和總輸入電容。光電二極管輸入電容變化很大，從高速光電二極管的幾皮法到超大面積精密光電二極管的幾千皮法。但是，在運算放大器輸入端增加電容會導致其變得不穩定，除非通過增加反饋電阻兩端的電容來補償它。反饋電容限制了系統的閉環帶寬。您可以使用公式1計算最大可能的閉環帶寬，該帶寬將導致相位裕量為45度。

哪里：

fU是放大器的單位增益頻率。

RF是反饋電阻。

C在是輸入電容，包括二極管電容和電路板上的任何其他寄生電容等。

CM是運算放大器的共模電容。

CD是運算放大器的差分電容。

例如，如果您的應用具有15 pF的光電二極管電容和1 MΩ的跨阻增益，公式1預測您需要一個單位增益帶寬約為95 MHz的放大器才能實現1 MHz的信號帶寬。這是具有45°的相位裕量，這將在信號階躍變化期間引起峰值。您可能希望通過設計60°或更高的相位裕量來減少峰值，這需要更快的放大器。這就是為什么像ADA4817-1這樣的器件具有20 pA的最大輸入偏置電流和約400 MHz的單位增益頻率，非常適合高增益光電二極管應用，即使對于中等帶寬也是如此。

在大多數系統中，光電二極管電容將主導總輸入電容，但某些應用在選擇具有極低輸入電容的運算放大器時可能需要格外小心。為了解決這個問題，一些運算放大器提供了旨在降低輸入電容的特殊引腳排列。例如，圖5顯示了ADA4817-1的引腳排列，該引腳排列將運算放大器輸出路由到反相輸入附近的引腳。

圖5.ADA4817-1引腳排列針對低寄生電容進行了優化。

使用光電二極管設計時，系統噪聲通常是另一個挑戰。輸出噪聲的主要貢獻因素是放大器的輸入電壓噪聲和反饋電阻的約翰遜噪聲。來自反饋電阻的噪聲出現在輸出端，無需額外放大。如果增加電阻的大小以放大光電二極管電流，則增益電阻引起的噪聲增加只會增加電阻值增加的平方根。實際上，這意味著在光電二極管放大器中增加盡可能多的增益是有益的，而不是增加第二個放大器級，后者的噪聲將隨增益線性增加。

放大器的輸出噪聲是輸入電壓噪聲乘以放大器的噪聲增益。噪聲增益不僅由反饋電阻決定，還由反饋和輸入電容決定，因此在整個頻率范圍內不是恒定的。圖6顯示了放大器噪聲增益與頻率的典型關系圖，其中閉環增益疊加以供參考。從該圖中可以了解到的兩件事是，輸出噪聲在某些頻率下增加，以及噪聲峰值可能超出放大器閉環截止帶寬的頻率范圍。

圖6.光電二極管放大器的噪聲增益在較高頻率下增加。

由于無法利用此帶寬，因此請使用設置為放大器信號帶寬的低通濾波器來降低噪聲。

使用可編程增益擴展動態范圍

由于反饋電阻的約翰遜噪聲隨電阻的平方根而增加，因此在光電二極管放大器中而不是在第二級中具有盡可能多的增益是有意義的。您可以更進一步，在光電二極管放大器中添加可編程增益，如圖7所示。

圖7.可編程增益光電二極管放大器的概念。

開關 S1選擇所需的反饋路徑，以便為不同的信號選擇最佳增益。不幸的是，模擬開關具有導通電阻，這將給我們的電路帶來增益誤差。該導通電阻會隨著施加的電壓、溫度和其他因素而變化，因此您必須找到一種方法將其從電路中消除。圖8顯示了如何使用兩組開關來消除反饋環路中導通電阻引起的誤差。使用該電路，反饋環路內有一個開關，如圖7所示，但不是查看放大器輸出端的電壓，而是開關S。2將電路輸出直接連接到增益電阻。這消除了由于電流流過開關S而導致的任何增益誤差1.使用該電路時的權衡之一是輸出不再具有與放大器輸出相關的極低阻抗，因為它包括多路復用器S的導通電阻2.如果下一級具有高阻抗輸入，例如使用ADC驅動器，這通常不是一個大問題。

圖8.使用兩組開關可減少由于環路內的額外電阻而導致的誤差。

使用調制和同步檢測來降低噪聲

許多精密應用涉及測量通過樣品吸收或反射的直流光水平。

雖然某些應用允許屏蔽所有環境光，但許多其他系統（主要是在工業環境中）必須在環境光下運行。在這種情況下，您可以調制光源并使用同步檢測將信號從電和光干擾最高的低頻頻譜移開。最簡單的調制形式是快速打開和關閉光源。根據光源的不同，您可以對其進行電子調制，或者像一些較舊的儀器一樣，您可以使用機械斬波器以給定的速率阻擋光線。

例如，如果您有興趣測量通過物質的光吸收以確定濃度，則可以在幾kHz處斬波光源。圖9顯示了這如何使測量遠離大多數環境中通常存在的大多數低頻光污染，例如由于一天中的時間引起的環境光水平變化，50 Hz/60 Hz熒光燈等。

圖9.對輸入信號進行斬波可將信息移動到斬波頻率并遠離環境噪聲。

由于您可以控制調制信號的頻率，因此可以使用相同的時鐘同步解調接收到的光。圖10所示電路是一個非常簡單的同步解調器。光電二極管放大器輸出端的電壓是交流耦合的，然后通過一個可編程增益為+1和–1的放大器。增益開關同步，在預計燈亮時將增益精確設置為 +1，在預計燈熄滅時將增益設置為 –1。理想情況下，輸出將是對應于光脈沖幅度的直流電壓。低通濾波器抑制與調制時鐘不同步的任何其他信號。低通濾波器的截止頻率相當于帶通濾波器在調制頻率周圍的寬度。例如，如果調制頻率為5 kHz，而您使用帶寬為10 Hz的低通濾波器，則電路輸出將傳遞4.99 kHz至5.01 kHz的信號。降低低通濾波器帶寬會導致更強的抑制，但代價是建立時間較慢。

圖 10.同步檢測電路。

圖 9 還顯示了使用切碎時的另一個注意事項。得到的波形不是頻域中的一條線（這需要正弦波），而是斬波頻率及其奇次諧波的一條線。斬波頻率奇次諧波處存在的任何噪聲都將以最小的衰減出現在輸出端。您可以使用正弦波調制完全消除這種情況，但這需要更復雜或更昂貴的電路。另一種解決方案是選擇一個古怪的基頻，其諧波不與任何已知的干擾源重合。您還可以在固件中實現圖 10 的相同功能。您可以與調制時鐘同步對斬波光信號進行采樣，并使用數字信號處理技術提取目標頻率的幅度信息。

結論

光電二極管放大器是大多數精密光學測量系統的重要組成部分。選擇合適的運算放大器是獲得最佳系統性能的重要第一步，使用其他性能增強技術（如使用可編程增益和同步檢測）有助于提高動態范圍并抑制噪聲。

審核編輯：郭婷