光电二极管（光电二极管电路设计）

光电二极管(光电二极管电路设计)

**，光电效应

光照射在半导体材料上，释放电子-空*对并产生电流。在PN结上施加反向偏置电压，可以扩大耗尽区，使更多的半导体材料成为载流子加速区。而是会增加暗电流的存在。光电流为：

r是通量响应率， e是辐射通量的幂。

1.1光导模式

在光电导模式下，有一个施加的偏置电压。在电路中测量的电流代表由设备接收的照明；测得的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使耗尽区宽度增加，响应度增加，结电容减小，响应度趋于直线。在这些条件下，很容易产生较大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料来限制其尺寸。

1.2光伏模式

在光伏模式下，光电二极管零偏置。器件的电流被限制以形成电压。这种*作模式利用了光伏效应。在光伏模式下工作时，暗电流小。

二、等效电路

图1等效电路

电流ip代表光电二极管信号，二极管再现正向偏置状态的电压条件。RD表示二极管的暗电阻，即零偏置时的结电阻。对于大多数应用，暗电阻的阻值很大，流过的电流很小，可以忽略不计。寄生电容CD将对大多数光电二极管应用产生深远影响。由电容引起的稳定性、带宽和噪声优化将在后面讨论。

图2等效简化电路

因为暗电阻的影响很小，所以简化的模拟电路忽略了暗电阻。因为通常的特性曲线测量属于低频区，电容CD也忽略不计。利用这个模型，我们可以得到特性曲线。

图3特性曲线

在光伏模式下，即偏压为零的模式下。负载接通后，部分光电流流过二极管产生电压ed。流经二极管的电流由二极管的电流方程获得：

流经负载的电流从图1中获得：

ID是二极管的反向饱和电流，也可以称为光电二极管的暗电流。Vt是半导体的热电压，vt=kt/q. K:玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K，T:热力学温度，Q:电子量

IL是非线性的。如果要降低这种非线性的比例，只能让它变小，那么只能让RL RS变小，那么RL为0；因此，当输出短路时，线性度佳。

第三，带宽和稳定性

3.1初步知识

在讲带宽和稳定性之前，为了跟上陈骁的思路，我们先来了解或回顾一下传递函数、波特图、反馈等概念。

传递函数

**性时不变系统初始状态为零的情况下，系统输出拉普拉斯变换与系统输入拉普拉斯变换之比就是传递函数。

零极点表示为：

P1 :杆

z1 :零点

波特图

振幅的频率响应是电压增益变化和频率变化之间的关系。这种关系可以通过波特图上以分贝(dB)表示的电压增益比频率(Hz)曲线来描述。

图4波特图

其中包括：

(1)1)十进制3354的频率增加x10或减少x1/10，

10Hz到100 Hz是十年；

(2)八度(octave) 3354频率增加x2或减少x1/2，从10Hz到20 Hz为一个八度；

(3)20dB/十倍频程=6dB/八度；

3.1.3示例

图5 RC低通滤波器

(1)通过复阻抗方法获得的传递函数为：

根据传递函数，电路有一个单极：

也就是

(2)振幅频率特性

当S=j时，根据复模量的计算：

=1=0.1/RC时20LG(a)=0dB；

当=2=1/RC时，20LG(A)=-3dB；

=3=10/RC时20LG(a)=-20dB；

通过上面的分析计算，可以得出-3dB/十倍频程的变化发生在1到2，而-20dB/十倍频程的变化发生在2到3，也就是说2的幅度滚降，也就是教材上的截止频率点。从**步可以看出，极点也发生在这一点。

(2)相频特性

根据复溶液相可以得到：

当=1=0.1/RC时，相位为

通过以上分析计算，极点在频率上有-45的相移。相位极点两侧的-45/十进制斜率变为0和-90。

根据(2)和(3)，波特图如下：

图6 RC低通滤波器的波特图

3.1.4反馈

在放大电路中，输出的一部分或全部通过一定的电路形式反馈到输入端，然后与输入信号叠加后送到放大器，这就是所谓的反馈。

图7放大器增益模型

基本参数公式：

(1)开环放大：

(2)反馈系数：

(3)净投入：

（4）闭环放大倍数：

3.1.5电路稳定标准

要判断电路是否稳定，首先要知道电路不稳定，发生振荡的条件，根据课本上的内容，我们知道振荡的条件是：

（1）幅度平衡条件

βAol≥1，其中βAol>1是其振条件，βAol=1是维持条件。

（2）相位平衡条件

φ=2nπ，即正反馈。

则稳定的标准是：

在 Aolβ= 1 (0dB) 时的 fcl 频率上，相移< +/-180°，

所需相位余量（离+/-180°相移的距离）≥ 45°。

在运放电路中我们要分析相位和频率就比较麻烦，我们只对稳定性分析的话，可以在 Aol曲线（数据手册上有） 上绘出 1/β的曲线，就有一种称为“闭合速度” 的简单一阶稳定性检查法。这种闭合速度稳定性检查，定义为 1/β 曲线与 Aol 曲线在 fcl 上（此时环路增益为 0dB）的“闭合速度”。40db/decade 的闭合速度意味着不稳定。

3.2带宽与稳定性

图8 光电二极管基本放大电路模型（TIA）

由图8可知，CIN=Cj+CD+CCM。

那么1/β的传递函数为：

（1）没有反馈电容CF的传递函数

（2）有反馈电容CF的传递函数

没有反馈电容，电路存在一个零点fz=1/2πRF CIN，当CIN足够大时，波特图如下：

图9 无反馈电容的波特图

从波特图看到，闭合速率为-40dB/ decade电路是不稳定的。

有反馈电容，电路存在一个零点

存在一个极点

只要保证fp≤f0（零点的交点频率点），就可以实现相位补偿让电路闭合速率为-20dB/ decade，保证电路稳定。如下图：

图10 有反馈电容的波特图

要想知道f0的大小整个电路的传递函数推导出来才能知道，这里就借鉴了德州仪器（TI）的公式

由上面叙述可知fp≤f0，因此

（来源于ADI）.由因为fp≥fs（信号频率），所以

这两个公式是给工程师前期设计时确定参数用的，调试电路需要细调，因为PCB布局布线不一样会导致出现不同的分布电容。

在fc处的增益峰值为1+CIN/CF，则闭环带宽为：

要想电路稳定就要使fc≥fp。那么

即

四、噪声分析

4.1在分析电路的噪声前我们应该知道运放电路存在的噪声，运放电路中存在电压噪声，电流噪声以及电阻的热噪声。

（1）电压噪声

包含宽带电压噪声和1/f电压噪声。

宽带电压噪声：

BWn:噪声带宽fcKn, fc=GBP/G(增益)，GBP规格书里面会写。

eBB:从规格书里面的电压噪声密度曲线读取出来。

1/f（0.1~10Hz）电压噪声：

efnorm:对1Hz的归一化1/f电压噪声；

eat_f: 从规格书里面的电压噪声密度曲线读取出来；

f：1Hz；

fL：0.1Hz。

总的电压噪声为：

（2）电流噪声

IBB:规格书会给出来。

（3）电阻的热噪声

K:玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K；

T:开尔文温度（273K+℃）

Req：等效电阻。

（4）总体输入噪声（RTI RMS）

（5）输出噪声（RTO RMS）

（6）估算RTO的峰峰值噪声

根据正态分布函数得：

4.2图8的噪声分析

现在的运放的电流噪声密度是很小的，我们基本上可以进行忽略。

图11噪声主导区域

由上图可知，光电二极管放大电路的反馈电阻一般是100K左右的，所以主导区域的是电阻区间。那么电路的信噪比为：

所以只要保证在噪声在电阻主导区域内，增大Rf可以提升电路的信噪比。

4.3外部噪声

外部噪声的话，主要表现在静电耦合，静电耦合是共模信号，想消除共模信号，就要让运放进行差分运用。如下图：

图12 差分输入电路

当R1=R2时可以消除偏置电流。因为运放内部是对称的，所以运放输入的偏置电流IB-=IB+，因此：

五、总结

经过上面的分析，终得到下面的电路：

图13 终设计电路

C1,C2,R1,R2是给EMC预留位置，需要注意的是C1,C2不能取太大。R1,R2阻值尽量为0Ω。Cc是为了滤除Rc的热噪声。Vref为了给运放足够的动态范围，因为运放就算是轨至轨的，也不能保证完全能输出到轨上，加入Vref就是为了让运放远离负轨，减小误差。

从上面分析，大家应该对分析运放相关的电路有了一定的了解，不同的电路分析方法都是大同小异的。虽然说，我们不能用数学将电路所有特点表现出来，但是关键的地方还是很容易推导和分析的，有了数学表达式后，我们就能很清晰的看到电路的一些特点，来帮助我们提升电路的性能和可靠性。