本文涵蓋了與基于光電二極管系統的跨阻放大器設計相關的重要細節。

如何放大光電二極管信號

放大光電二極管產生的極低幅度電流的標準方法是將此電流用作基于運算放大器的跨阻放大器 （TIA） 的輸入。下圖提供了一個連接到 TIA 的光電二極管示例；光電二極管具有零偏壓，這意味著光電二極管工作在光伏模式。

圖 1.連接到跨阻放大器的光電二極管

有關跨阻放大器的更多信息，請參閱AAC 關于此主題的視頻教程。

保持光電二極管電路的穩定性

在上面顯示的電路中，只有電阻器 （R F ） 提供增益。電容器 （C F ）的目的是通過補償光電二極管的內部結電容來避免振蕩問題，這會在反饋網絡中產生一個極點。C F通過在反饋網絡中創建零來進行補償。

振蕩是光電二極管電路的一個非常現實的問題。確實，內部頻率補償通常可以保護運算放大器實現不受不穩定影響，但即使您使用內部補償運算放大器，光電二極管 TIA 也會發生振蕩。

您可以在我的負反饋系列的第 8 部分中了解更多關于光電二極管放大器穩定性的信息，包括如何有效調整補償電容器的大小。

包含直流偏移

在某些情況下，您可能希望使用光電二極管來記錄特定類型的短時光或熱事件產生的波形。您可以使用交流耦合來消除環境輻射的影響，從而允許系統僅檢測瞬態照明，但波形的下降沿可能會延伸到地以下。

這在單電源系統中可能會出現問題：如果運算放大器的負電源接地，延伸到 0 V 以下的波形部分將被削波。

您可以通過向運算放大器的同相輸入端子施加一個小的直流電壓（稱為 V OFFSET）來解決這個問題；V OFFSET將成為放大器在沒有輸入信號時產生的輸出電平。波形的下降沿將能夠延伸到該電壓以下，并且在瞬態事件之后，放大的輸出最終將返回到 V OFFSET。

圖 2. 與圖 1 中連接到跨阻放大器的相同光電二極管，但具有 DC 偏移。

在這個例子中，我使用一個電阻分壓器來產生一個合適的偏移電壓。并聯電容器有助于抑制來自電源的高頻噪聲。

您選擇的失調電壓取決于應用。您不想使 V OFFSET大于必要值：如果偏移為 500 mV，但您的輸入波形從未延伸到地以下超過 200 mV，您就會損失 300 mV 的信號擺幅，正部分可能需要這些擺幅的波形。

請記住，由于虛擬短路，施加到同相輸入端子的電壓也會出現在反相輸入端子上。這意味著正偏移電壓將導致光電二極管具有反向偏置。光電二極管簡介的第 3 部分討論了反向偏置對光電二極管工作的影響。

避免飽和

即使您不打算保留波形的低于接地部分，如果您正在設計單電源系統，您也應該考慮包括一個小的（可能是 100 mV）偏移電壓，因為它可以防止運算放大器在負軌上飽和。

飽和并不是災難性的，但運算放大器（與比較器不同）并未針對在電源軌上產生輸出電壓進行優化。飽和運算放大器需要一些時間才能脫離飽和狀態；因此，在負軌處飽和的 TIA 在響應輸入信號時會出現一些延遲。

結論

我們仔細研究了光電二極管的跨阻放大器，討論涉及穩定性、用于波形保存的直流偏移以及用于防止運算放大器飽和的直流偏移。
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