在用于光檢測的固態檢波器中，光電二極管仍然是基本選擇。光電二極管廣泛用于光通信和醫療診斷。其他應用包括色彩測量、信息處理、條形碼、相機曝光控制、電子束邊緣檢測、傳真、激光準直、飛機著陸輔助和導彈制導。

光能傳輸到其中一個傳感器產生電流，由高精度前置放大器進一步處理。模數轉換和數字信號處理形成了整個信號鏈的其余部分。

選擇傳感器和設計模擬前端的過程可減少為七步：

1. 描述要測量的信號和設計目標。

2. 選擇合適的傳感器并描述其電氣輸出。

3. 確定可以獲得的最大增益。

4. 確定前置放大器級的最優放大器。

5. 設計完整的傳感器和前置放大器增益模塊

6. 運行仿真。

7. 在構建硬件和進行校驗時要多加注意。

若要將光轉換為電信號進一步處理，需要了解光源的交 直流特征、光源信號幅度、預期的測量分辨率和系統中 可用的電源。了解信號幅度特征和噪聲水平，為如何選 擇傳感器、增益模塊中必需的增益、以及選擇模數轉換 器(ADC)時可能需要什么樣的輸入電壓范圍和噪聲水平 提供了依據。

假設在室溫條件下，有一個光源發出光亮度為50 pW至 250 nW(0.006勒克斯)的1 kHz光脈沖。這是非常低的光量， 需要非常精密的信號調理和信號處理鏈。目標是用16位的 分辨率和精度來捕捉和處理此信號。達到此分辨率意味著 測量精度需要達到3.8 pW。

另外，假設系統中可使用+12-V和–12-V電源。設計師在此 基礎上，可以計算信噪比(SNR)并設計電路。

第2步：傳感器選擇

設計過程中，經常會優化用于光電模式或光敏模式的光電二極管。響應度是檢波器輸出與檢波器輸入的比率，是光電二極管的關鍵參數。其單位為A/W或V/W。

大面積銦鎵砷化物(InGaAs)光電二極管用于儀表測量和感測應用，與高速模擬和數字通信系統、儀表測量和感測場合所用的高速光電二極管相比，大面積銦鎵砷化物在 600至800納米附近具有更佳的響應性能。

無光時，向短路的光電二極管施加一個電壓得到電流Is。

照射該二極管會產生與光強成正比的反電流Ilight。總電流Isc 為：

公式2中，第二項和第三項限制了Isc的線性度，但從廣義上講可以忽略。實際上，Isc與入射光級度基本上呈線性關系，可以近似為：

若要檢測少量光，設計師必須指定大面積光電二極管，其最低預期發射光乘以響應度，得到的電流要大于光電二極管的暗電流。這將產生高于光電二極管傳感器本底噪聲的信號。對于光波長超過1100納米的硅光電二極管，通常響應度小于0.7 A/W。本例中選擇Hamamatsu S1336(表1)。

光電二極管的預期電流可以從光源的預期光功率計算得出，公式為：

如果光源在所選光電二極管的有效面積上耗光了能量，則只需計算公式4。若要進行16位轉換，則有必要解析為一半的最低有效位(LSB)或0.95 pA。

Hamamatsu光電二極管的有效面積為5.7 mm2，且采用圓形陣列。傳感器和光源之間也有必要使用光纖。光纜的橫截面積可能比我們的光電二極管大。通常，這種情形的光功率測量單位為W/cm2。光電二極管的面積以cm2表示，結果為57 x 10–3 cm2。對于測量單位為W/cm2 的同樣 25 pA光源輸出電流，必需的功率為：

硅光電二極管的噪聲特征決定了光檢測的下限。如圖1所示的光電二極管等效電路，捕捉了三個噪聲源：

二極管的噪聲是二極管分流電阻產生的熱噪聲。

第3步：增益模塊計算

前置放大器在高背景噪聲環境中提取傳感器生成的小信號。光電導體的前置放大器有兩類：電壓模式和跨導(圖3)。

圖3c所示的跨導放大器結構產生的精密線性傳感性能是通過“零偏壓”光電二極管實現的。在此配置中，光電二極管發現輸出間存在短路，按照公式3 (Isc = Ilight)，基本上不存在“暗”電流。

I/V(跨導)轉換器的輸出電壓和輸入電流之間的理想關系(增益)可以表示為：

使用的反饋電阻值定義轉換器的增益(有時稱為靈敏度)。

若電流轉電壓增益極高，則生成的Rf與其他限制的允許值一樣大。設計師應選擇足夠大的電阻，以使得傳感器的最小輸出電流足以進行測量，且最大電流不會讓放大器飽和。

若阻值升高，此電阻也會出現明顯的熱直流電壓漂移，與放大器輸入電流的溫度系數所反映的情形相同。為了補償此誤差，通常在放大器同相輸入端串聯一個相同的電阻，并通過容性旁路消除其大部分噪聲。若要實現最大信噪比，必須避免多級增益。

隨著阻值繼續升高，其容差和溫度額定值明顯下降。例如，找到容差為0.01%的1 kΩ電阻比較簡單，但要找到相同容差的10 MΩ電阻就很困難而且成本很高。

可使用串聯低值電阻來形成更大的阻值，與多級增益配合使用低值電阻，或使用“T型網絡”電路來解決此問題。遺憾的是需要平衡這些優勢，采用大反饋電阻可能會出錯，還可能引起不穩定的問題。這些問題稍后解決。

另外，本設計示例采用了阻值非常高的電阻：Rf = 80 MΩ。

這就必須把最低和最高光電二極管電流轉換為更易于測量的輸出電壓，公式為：

圖2. 光電二極管與跨導放大器接口

第4步：確定前置放大器級的最優放大器

光電二極管暴露在光線下且使用圖2c的電路時，電流將流到運算放大器的反相節點，如圖3所示。若負載(RL)為0 Ω且VOUT = 0 V，則理論上光電二極管會出現短路。實際上，這兩種狀況都絕對不會出現。RL等于Rf/Aopen_loop_Gain，而VOUT是放大器反饋配置施加的虛擬地。

圖3. 短路狀況下的光電二極管

若缺少光時向短路的光電二極管施加電壓，會生成所謂的 “暗電流”。因此，放大器必須具有很大的開環增益，設計 師必須創建最佳“虛擬地”。這意味著放大器輸入之間的誤 差極小。Rphoto上與0 V的偏差會因放大器非理想狀態而引起誤差電流。這些誤差源是顯而易見的：

這需要一個引入的誤差最小的放大器。換言之，設計師選擇的放大器在其反饋電阻配置為RF = 80 MΩ 時，輸出誤差不得超過2 mV。還必須確保放大器的上升和下降時間少于勵磁激光二極管源的上升和下降時間。

公式9中未出現但可改善設計精度的幾個其他放大器參數為：

? 低失調電壓溫度漂移

? 低輸入偏置電流溫度漂移

? 高輸入阻抗

? 低輸入電容

? 低輸入電流噪聲密度

? 寬帶寬

選擇合適的放大器時還需考慮報價、封裝尺寸和功耗。

如上所述，I/V轉換器的輸出電壓和輸入電流之間的關系實際就是轉換器的增益，公式為：

如這些公式所示，Vο公式存在誤差項，必須盡可能降低。例如，若選用aο很大的放大器，aοβ項升高，而1/aοβ降低。這使得誤差項更小。

本例中，我們選用工作電壓為±12 V的精密運算放大器AD8627，它具有極低的噪聲、低偏置電流和寬帶寬。查看AD8627的數據手冊，可獲得如下特性規格：IB = 1 pA，ft = 5 MHz，f = 1 kHz時en = 16 nV/√Hz，Ccom =3.8 pF，Cdi = 4.1 pF。IC制造商提供在線搜索和選擇工具，可根據用戶要求選擇部件。表2列出了適合光電傳感的幾個放大器。

表2. 適用于光電二極管應用的高壓FET輸入放大器

第5步：增益模塊

光電二極管與圖2c配置的放大器相連時，該放大器經常會振蕩。如前文所述，放大器反饋中的大阻值電阻會造成異常行為并引起振蕩。設計師必須確保選用合適的放大器，且與傳感器組合使用時放大器工作穩定。

電路的響應或帶寬、峰化或過沖以及噪聲或信噪比(SNR)等性能，會變得非常復雜，呈非線性，且主要取決于轉換器電路中有源和無源元件之間的相互影響。替代電路模型可用于得出更貼近實際的分析(圖4)。圖4考慮了這種解決方案的所有非理想狀況，能夠讓設計師實施建模，使用極點/零點分析，避免以后出現問題。

圖4. 替代電路模型可用于分析圖2c所示電路

大反饋電阻和輸入電容之間的相互作用會把零點引入極點/零點穩定性分析。如果Cphoto足夠大，在開環跨導增益與噪聲增益函數相交(圖5)的交越頻率，閉環相移將接近?180。

圖5. 穩定性分析說明了大反饋電阻和輸入電容之間的相互作用

為保持45相位余量和穩定性，反饋中需要將一個小電容與Rf并聯。此電容的值與放大器輸入端的輸入電容有關。放大器的輸入電容小，則Cf值小。電路中使用更小的Cf時，放大器的更多帶寬將用于現有的應用。

帶寬和靈敏度直接相關，要通過選擇Rf來權衡使用。例如反饋電容(Cf = 2 pF)與Rf并聯時，Cphoto= 20 pF及Rf = 80 MΩ的光電二極管將具有1 kHz的最大帶寬。

另外，如果需要10 kHz帶寬，則設計師可能要選擇最大Rf = 8 MΩ，Cf的電容仍然可以是2 pF。此概念可用于設計可編程的帶寬來處理不同輸入信號，例如1 kHz和10 kHz。

設計師必須分析帶寬和噪聲，確認所選的放大器正好適合設計所用。這樣也就可以理解為什么選擇低輸入電容和帶寬的AD8627很重要。

可以看到，選擇Cphoto值較高的大面積光電二極管，其fx會小很多(即帶寬較低)。一個可能的補救措施是選擇帶寬(ft)非常寬的放大器。然而，這樣會引起其他問題，比如更多噪聲。

這種情形下，AD8627放大器必須具有極低的電壓噪聲，才能在大面積光電二極管跨導放大器應用場合獲得較低的總噪聲。這點很有必要，因為跨導電路的噪聲增益會隨著頻率急劇上升(噪聲增益 = 1 + Zf/Xc)，它影響電壓噪聲和電阻噪聲，但不會影響電流噪聲。如公式12所示，計算了I/V轉換器和光電二極管組合時高于0.01 Hz的總噪聲：

假設AD8627(IB = 1 pA，ft = 5 MHz，f = 1 kHz時en = 16 nV/√Hz，Ccom = 3.8 pF，Cdi = 4.1 pF)與Hamamatsu光電二極管(Rphoto =

2 GΩ，Cphoto = 20 pF)一起使用。另外，Rf = 80 MΩ，Cfeedback = Crf + Cf = 2 pF。根據上述信息，輸入電容為Cin = Cphoto + Ccom + Cdi = 20 pF + 3.8 pF + 4.1 pF = 28 pF。

I/V電路的噪聲增益主要受制于en，而in和iR的噪聲增益與信號增益一致(圖6)。主要噪聲是fx附近的enoe和fp附近的熱噪聲enoR。

因為本次設計采用JFET輸入放大器，所以電流噪聲幾乎可以忽略不計。

第6步：仿真

光電二極管制造商不提供產品的SPICE模型，但可以從ADI公司網站下載放大器SPICE模型。設計師還可以從ADI網站下載National Instruments提供的免費版SPICE仿真軟件MultiSim。

該軟件環境提供了光電二極管的LabVIEW

跨導模型，允許根據設計示例中使用的具體光電二極管進行定制(圖7a)。必須先運行仿真，再構建任何板卡。由于噪聲增益路徑(圖7b)中引入了零點，所以可能會出現不穩定。

圖7. 光電二極管電路的噪聲電路分析

為ADI公司跨導放大器示例模型提供的National Instruments MultiSim用戶界面具有Hamamatsu光電二極管的特征，可進一步分析(圖7a)。MultiSim仿真說明了噪聲增益路徑中引入零點造成的不穩定(圖7b)。改變反饋電阻上的電容會影響可用的帶寬(圖7c)。

如上文所述，必須在反饋電阻上放置2 pF電容來引入一個極點，從而取消此零點。2 pF反饋電容是理論值。可以分析不同值對設計電路可用帶寬的影響(圖7c)。還可以通過監控輸出來校驗電路帶寬，其?3 dB帶寬為1 kHz。

第7步：硬件驗證

除了使用非常干凈的電源外，超低光檢測電路還需要采用最佳實踐的規則和做法，才能減少所有噪聲源的噪聲，包括環境電磁噪聲和所有泄漏源噪聲。低壓應用可使用電池，但需要使用RC或LC濾波器設置電源旁路。

成功與否的其他關鍵因素包括電路板用高絕緣電阻材料制成。為了避免泄漏到測量電路中，必須使用護圈或特氟龍支柱，將光電二極管引腳無線連接到運算放大器的輸入端子。反饋電阻和電容同樣如此。

屏蔽電纜和電路采用金屬屏蔽盒是良好的防電磁干擾(EMI)措施。在要求更高的場合，設計師可在光源和光電二極管之間使用光纖。

ADI公司設計了25 pA至125 nA范圍的示例電路。超出此范圍的任何信號均會令放大器飽和，并影響總體性能。如果需要更寬的范圍，可以與反饋電阻串聯一個低泄漏開關。然后可根據不同的靈敏度，使用其他反饋電路。

審核編輯：郭婷