光电二极管检测电路的组成及工作原理.docx

1、光电二极管检测电路的组成及工作原理光电二极管检测电路的组成及工作原理光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。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,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪

2、声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步(本文未作讨论)是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压(零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之 图1 单电源光电二极管产生的电流I从负极流至正极,如图中所示

3、。SC检测电路 由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R。F输出电压会随着电阻R两端的压降而变化。 F图中的放大系统将电流转换为电压,即 V = I R (1) OUTSCF式(1)中,V是运算放大器输出端的电压,单位为V;I是光电二极管产生的电流,单位OUTSC为A;R是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C是电阻R的寄生电容和电FRFF路板的分布电容,且具有一个单极点为1/(2p R C)。 FRF用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R。用这个模拟程序,激励信号源为I,输出端电压为V。 FS

4、COUT此例中,R的缺省值为1MW ,C为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理FRF想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2p RC),即318.3kHz。改变RFRFF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是,如果不考虑稳定性和噪声等问题,这种简单的方案通常是注定要失败的。例如,系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出,更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题,输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选

5、择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声,根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析,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,虽然它具有良好的光响应特性,但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外,光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化,会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差,运放应该具有一个较小的输入偏置电流(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的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后,R/C反馈网络用于建立电

6、路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型 2.1 光电二极管的SPICE模型 一个光电二极管有两种工作方式:光致电压和光致电导,它们各有 优缺点。在这两种方式中,光照射到二极管上产生的电流I方向与通常SC 的正偏二极管正常工作时的方向相图2 非理想的光电二极管模型 反,即从负极到正极。 光电二极管的工作模型示于图2中,它由一个被辐射光激发的电流源、理想的二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成。 当光照射到光电二极管上时,电流便产生了,不同二极管在不同环境中产生的电流I、具SC有的C、R值以及图中放大器输出电压为05V所需的电阻R值均不同,例如SD

7、-020-PDPDF12-001硅光电二极管,在正常直射阳光(1000fc英尺-烛光)时,I=30m A、C=50pF、RSCPD=1000MW 、R=167kW ;睛朗白天(100fc)时,I= 3m A、C=50pF、R= 1000 PDFSC PDPDMW 、R=1.67MW ;桌上室内光(1.167fc)时,I=35nA、C=50pF、R=1000MW 、FSCPDPDR=142.9MW 。可见光照不同时,I有显著变化,而C、R基本不变。 FSCPDPD工作于光致电压方式下的光电二极管上没有压降,即为零偏置。在这种方式中,为了光灵敏度及线性度,二极管被应用到最大限度,并适用于精密应用领

8、域。影响电路性能的关键寄生元件为C和R,它们会影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。 PDPD结电容C是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的。耗尽层窄,结PD电容的值大。相反,较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约从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的重要影响将在下面讨论。 在光电二极管的数据手册中,寄生电阻R也称作“分流”电阻或“暗”电阻。该电阻与光电二PD极管零偏或正偏有关。在室温下,该电阻的典型值可超过100MW 。对于大多数应用,该电阻的影响可被忽略。 分流电阻R是主要的噪声源,这种噪声在图2

9、中示为e。R产生的噪声称作散粒噪PDPDPD声(热噪声),是由于载流子热运动产生的。 二极管的第二个寄生电阻R称为串联电阻,其典型值从10W 到1000W 。由于此电阻值S很小,它仅对电路的频率响应有影响。光电二极管的漏电流I是引发误差的第四个因素。如L果放大器的失调电压为零,这种误差很小。 与光致电压方式相反,光致电导方式中的光电二极管具有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器上时,耗尽层的宽度会增加,从而大幅度地减小寄生电容C的值。寄生电容值的减小有利于高速工作,然而,线性度和失调误差尚未最优化。这个问PD题的折衷设计将增加二极管的漏电流I和线性误差。 L下面将集中讨论

10、光致电压方式下的光电二极管的应用领域。 2.2 运放的SPICE模型 运算放大器具有范围较宽的技术指标及性能参数,它对光检测电路的稳定性和噪声性能影响很少。其主要参数示于图3的模 型中,它包括一个噪声源电压、每个输入端的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容 及与频率有关的开环增益。 图3 非理想的运放模型 输入差分电容C和输入共模电容DIFFC是直接影响电路稳定性和噪声性能的CM寄生电容。这些寄生电容在数据手册中通常规定为典型值,基本不随时间和温度变化。 另一个涉及到输入性能的是噪声电压,该参数可模拟为运放同相输入端的噪声源。此噪声源为放大器产生的所有噪声的等效值。利用此噪声源可建立放大器的全部

11、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,则输入电流噪声的影响可忽略不计。 当运行SPICE噪声模拟程序时,必须使用一个独立的交流电压源或电流源。为了模拟放大器的输入噪声RTI,一个独立的电压源V应加在放大器的同相输入端。另外,电路中的反IN馈电阻保持较低值(100W ),以便在评估中不影响系统噪声。 图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益A(jw ),典型情况下,在OL传输函数中该响应特性至少有两个极点,该特性用于确定电路的稳定性。 在这个应用电路中,对运放有影响而未模拟的另一个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

12、范围必须扩展到超过负电源幅值,而输出摆幅必须尽可能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以下0.3V的共模范围。由于同相输入端接地,此类性能非常适合于本应用领域。当放大器对地的负载电阻为小于RF/10时,则单电源放大器的输出摆幅可最优化。如果采用这种方法,最坏情况下放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的0.5%。 SPICE宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数。一个放大器宏模型会具有适当的开环增益频率响应、输入共模范围和不那么理想的输出摆幅范围。表1中列出了本文使用的三个放大器宏模型的特性。 光电二极管和放大器的寄生元件对电路的影响可容易地用SPICE模拟加以说明。例如,在理想

13、情况下,可以通过使用I的方波函数和观察输出响应来进行模拟。 SC2.3 反馈元件模型 本应用中应该考虑的第三个即最后一个变量图4 图1所示系统反是放大器的反馈系统。图4示出一个反馈网络模型。 馈电路的 寄生元件模型 在图4中,分离的反馈电阻R也有一个噪声F成分e和一个寄生电容C 。 RFRF寄生电容C为电阻R及与电路板/接线板RFF相关的电容。此电容的典型值为0.5pF到1.0pF。 C是反馈网络模型中包含的第2个分离元F件,用于稳定电路。 表1 本文提到的运放宏模型特性 典型参数 理想值 运放#2 MCP601 输入差分电容 0pF 3pF 3pF 输入共模电容 0pF 6pF 6pF 温度

14、范围内的输入偏流 0pA 50pA 50pA 输入电压噪声 静态电流 250m A 250m A 25m A 增益vs.频率 无极点 在传输函数中有2个在传输函数中有2个极点 极点 单位增益相交时的相位N/A 60? 60? 容限 增益带宽积(GBW) 未确定 2.8MHz 100kHz 将三个子模型(光电二极管、运放和反馈网络)组合起来可组成光检测电路的系统模型。如图5所示。 3 系统模型的相互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所示的系统模型可用来定性分析系统的稳定性。 这个系统模型的SPICE能模 拟光电二极管检测电路的频率及噪声响应。尤其是在进入硬件实 验以

15、前,通过模拟手段可以容易图5 标准光检测电路的系统模型 地验证并设计出良好的系统稳定性。该过程是评估系统的传输函数、确定影响系统稳定性的关键变量并作相应调整的过程。 该系统的传输函数为 (2) 式(2)中,A(jw )是放大器在频率范围内的开环增益。b 是系统反馈系数,等于1/(1OL+Z/Z)。1/b 也称作系统的噪声增益。 FINZ是输入阻抗,等于R/1/jw (C+C+ C);Z是反馈阻抗,等于R /1/jw (CINPDPDCMDIFFFF+C)。 RFF通过补偿A(jw )? b 的相位可确定系统的稳定性,这可凭经验用A(jw )和1/b OLOL的Bode图来实现。图6中的各图说明了这个概念。 开环增益频率响应和反馈系数的倒数(1/b )之间的闭合斜率必须小于或等于,20dB/10倍频程。图6中(a)、(c)表示稳定系统,(b)、(d)表示不稳定系统。在(a)中,放大器的开环增益(A(jw )以零dB随频率变化并很快变化到斜率为 ,20dB/10倍频程。OL尽管未在图中显示,但这个变化是由开环增益响应的一个极点导致的,并伴随着相位的变化,在极点以前开始以10倍频程变化。即在极点的10倍频程处,相移约为0? 。在极点发生的频率处,相移为,45? 。当斜率随着频率变化,到第二个极点时开环增益响