光電二極管前置放大器
光電二極管在受到光照時，會產生一個與照度成正比的小電流，因此是很好的光 電傳感器，可廣泛應用于精密光度計、高速光纖接收器等領域。

許多常用傳感器的輸出阻抗超過幾兆歐，因此，其相應的信號調理電路必須仔細設計，以滿足低偏置電流、低噪聲和高增益的要求。本文分析介紹光電二極管前置放大器，文中討論了與高阻抗傳感器信號調理電路有關的問題，并提供了實際 解決方案。

光電二極管的等效電路如圖1所示 。光電二極管靈敏度的標準規定方法之一是對來自嚴格定義的光源給定的光強確定它的短路電流ISC。最常用的光源是工作在2 850K色溫下的白熾鎢燈。在100fc(呎-燭光)照度(相當于陰天的光強)下，對于小面積(小于1mm2)二極管的短路電流通常是數皮安(pA)到數百微安(μA)。

短路電流在6~9個數量級的光強范圍呈理想線性變化，因此常被用作絕對光強的測 量。光電二極管兩端的開路電壓隨光強呈對數變化，但因為其溫度系數很大，所以二極管電壓很少用于光強的精密測量。
分路電阻RSH在室溫下通常是1000MΩ左右，且溫度每增加10 ℃就減少1/2。二極 管電容CJ隨結面積和二極管偏壓而變化，對于結面積很小的二極管，零偏壓時的 典型CJ是50pF。
光電二極管可以以兩種模式工作，一是零偏置工作(光伏模式,如圖2a)，一是反偏置工作(光導模式,如圖2b)。在光伏模式時，光電二極管可非常精確地線性工作； 而在光導模式時，光電二極管可實現較高的切換速度，但要犧牲線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流，叫做暗電流(無照電流)。在零偏置 時則沒有暗電流，這時二極管噪聲基本上是分路電阻產生的熱噪聲。在反偏置時 ，由于導電產生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。在設計光電二極管過程中，通常 是針對光伏或光導兩種模式之一進行最優化設計的，而不是兩種模式的使用都是 最優化。
將光電二極管電流轉換為可用電壓的簡便方法,是用一個運算放大器作為電流—— 電壓轉換器(如圖3所示)。二極管偏置由運算放大器的虛地維持在零電壓，短路電 流即被轉換為電壓。在最高靈敏度時，該放大器必須能檢測30pA的二極管電流。 這意味著反饋電阻必須非常大，而放大器偏置電流必須極小。例如，對于30pA的 偏置電流，1000MΩ反饋電阻將產生30mV的相應電壓。因為再大的電阻是不切實際 的，所以對于最高靈敏度的情況使用1000MΩ。這樣對于10pA的二極管電流，放大 器將給出10mV輸出電壓；而對于10nA的二極管電流，輸出電壓為10V。這樣便給出 60dB的動態范圍。對于更大的光強值，必須使用較小的反饋電阻來降低電路增益 。對于這個最高靈敏度范圍，我們應能很容易區分無月夜的光強(0.001fc)和滿月夜的光強(0.1fc)。

注意，為了要獲得最大的信噪比(SNR)，我們應當選擇從一級電路而不是兩級電路 的級聯來獲得盡可能高的增益。如果我們將反饋電阻減小為原來的一半，則信號強度則降為原來的1/2，而反饋電阻產生的噪聲√4KTR·帶寬僅降低√2倍。假定閉環帶寬保持不變，這將使SNR減小3dB。在下面的分析中，我們將看到電阻是對總輸出噪聲影響最大的因素之一。

注意，為了要獲得最大的信噪比(SNR)，我們應當選擇從一級電路而不是兩級電路 的級聯來獲得盡可能高的增益。如果我們將反饋電阻減小為原來的一半，則信號強度則降為原來的1/2，而反饋電阻產生的噪聲√4KTR·帶寬僅降低√2倍。假定閉環帶寬保持不變，這將使SNR減小3dB。在下面的分析中，我們將看到電阻是對總輸出噪聲影響最大的因素之一。
要精確測量數10pA范圍的光電二極管電流，運算放大器的偏置電流不應大于數皮 安，這就大大縮小了選擇的余地。工業標準的OP07是一種超低失調電壓（10μV） 的雙極型運算放大器，但是其偏置電流達4nA（4000pA）。盡管帶偏置電流補償的 超　雙極型運算放大器（例如OP97），在室溫下的偏置電流大約有100 pA，但是 因為它不象FET那樣溫度每升高10℃偏置電流就增加一倍，所以對于很高溫度下的 應用很合適。我們選擇帶FET輸入的“靜電計級”運算放大器作為光電二極管前置 放大器，因為它必須只工作在指定的溫度范圍內。這類器件采用BiFET工藝制造， 使用P溝道結型場效應晶體管JFET作為輸入級（參見圖4）。運算放大器電路的其 余部分使用雙極型運算放大器設計。為使失調電壓和失調電壓漂移減至最小，Bi FET運算放大器在芯片工藝中采用了激光微調技術。失調電壓漂移通過下列調整過 程減至最小：首先微調輸入級，使構成一對差動電路的兩個JFET中的電流相等； 然后，微調JFET源電阻，將輸入失調電壓減至最小。選擇AD795作為光電二極管前 置放大器，其主要性能如下：
·失調電壓：在 25℃時，最大為250μV（K 級）
·失調電壓漂移：最大為3μV/℃（K級 ）
·輸入偏置電流：在 25℃時，最大為1pA （K級）
·0.1～10Hz 電壓噪聲：2.5μVp-p
·1/f 轉折頻率：12Hz
·電壓噪聲：在 100Hz處為10nV/ √Hz
·電流噪聲：在 100Hz處為0.6fA/ √Hz
·在±15V時的功耗為40mW
·增益帶寬乘積1MHz
因為二極管電流以pA為單位測量的，所以必須特別注意實際電路中潛在的泄漏路徑。對于高質量、清潔的環氧樹脂印制電路板上的兩條相距0.05英寸的平行導線 ，在125℃時1英寸長的平行布線的漏電阻約為1011歐姆，如果在它們間存在15V的 電壓，便會有150 pA的電流流過。
光電二極管的主要泄漏路徑如圖5中的虛線所框。反饋電阻應采用有玻璃絕緣的陶 瓷電阻或玻璃上的薄膜電阻。跨接在反饋電阻兩端的補償電容器應具有聚丙烯或 聚苯乙烯介質。與匯合結點的所有連線應足夠短。如果用電纜將光電二極管和前置放大器相連接，則電纜應盡量短且用聚四氟乙烯絕緣。
通過將放大器的輸入與印制電路板上的大電壓梯度進行隔離的防護方法，可以減少寄生泄漏電流。實際上，防護方法就是在輸入線周圍并上升到線路電壓的低阻抗導線。它通過將泄漏電流轉移到遠離靈敏結點處而對泄漏電容起緩沖作用。
究竟采用哪種保護技術取決于工作方式,即反相或同相方式。圖6示出一種用來保護DIP(“N”型)封裝的ADF95運算放大器輸入的印制電路板布置。應該注意到,這 種封裝的引腳間隔允許布線在引腳之間通過。在反相工作方式下,保護印制線圍繞 倒相輸入(引腳2),且走向與輸入印制線平行,在跟隨器工作方式下,保護電壓是到 倒相輸入引腳2的反鎖電壓。在兩種工作方式下,保護印制線應盡可能處在印制電 路板的兩側并連在一起。
將保護技術用于SOIC表面要裝(“R”)封裝時,由于引腳的間隔不允許在引腳之間 容納印制電路的寬印制線,所以情況要稍微復雜一些。圖7示出一種優選的方法。 在SOIC“R”封裝中,引腳1、引腳5和引腳8是“不連接”引腳,可用于信號路徑印制線(如圖所示)。在跟隨器的情況下,保護印制線必須繞過-Vs引腳。
對于偏流極小的應用場合(如利用輸入偏流為100fA的AD549的場合),所有與該運算 放大器輸入端的連線都應接到沒有玷污過的聚四氟乙烯隔離絕緣子上(“沒有玷污 過的”聚四氟乙烯是指已加工成形但未玷污上粉末或顆粒灰塵的一塊潔凈的固體 聚四氟乙烯材料)。如果從機械加工和制造考慮允許的話,則運算放大器的反相輸 入端應直接焊到聚四氟乙烯隔離絕緣子上(見圖8),而不穿過印制電路板上的通孔 。印制電路板本身需仔細清潔,然后用優質涂覆材料加以密封,防止濕氣和灰塵侵入。

除將泄漏電流減至最小之外,整個電路應當用接地金屬屏進行良好屏蔽,以防接收 雜散信號。
前置放大器的失調電壓和漂移分析
圖9示出光電二極管前置放大器的失調電壓和偏流模型。在這個電路中有兩點重要考慮。首先,二極管分流電阻(R1)隨溫度而變—每當溫度升高10℃時,其阻值便減小一半。在室溫(+25℃)下,R1=1000MΩ,而在+70℃時R1便減小到43MΩ。這對電路 的直流噪聲增益,因而對輸出失調電壓帶來巨大影響。例如,在+25℃時直流噪聲增 益是2,而在+70℃時噪聲增益便增大到24。
電路性能
圖10是光電二極管電路的優化設計圖。電路主要性能如下：
● 輸出失調誤差(在0~70 )：33mV
● 輸出靈敏度：1mV/pA
● 輸出光電靈敏度：36V/foot-candle
● 在25 時總輸出噪聲：28.5 V RMS
● 在25 時總噪聲RTI：44fA RMS,或26.4pA p-p
● R2＝1000M 時照度范圍：0.001~0.33foot-candle
● 帶寬：16Hz