光電探測(cè)器前置放大電路設(shè)計(jì)概要

1、光電探測(cè)器前置放大電路設(shè)計(jì)概要上海光學(xué)精密機(jī)械研究所李國(guó)揚(yáng)此處的光電探測(cè)器,指的是將光功率轉(zhuǎn)化為電流的二極管結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換器件。有人認(rèn)為光電探測(cè)器的應(yīng)用很簡(jiǎn)單,將光電二極管的輸出電流用一個(gè)電阻進(jìn)行取樣,就得到了電壓,該電壓可經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字化處理。一個(gè)簡(jiǎn)單的光電探測(cè)器應(yīng)用電路如下圖所示: 實(shí)際上,沒有如上圖一樣簡(jiǎn)單。首先,上圖中的光電探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)暗電流,這個(gè)暗電流有可能會(huì)大到可以和信號(hào)電流比擬;其次,取樣電阻會(huì)產(chǎn)生熱噪聲,而電阻值越大,噪聲也越大。并且,10mV 的信號(hào)電壓未必足夠大。而在光電流大小一定的情況下要提高信號(hào)電壓,就需要增大取樣電阻,取樣電阻變大,又會(huì)增大噪聲,這是一對(duì)矛

2、盾。進(jìn)一步分析,光電探測(cè)器的PN結(jié)有一個(gè)結(jié)電容,這個(gè)結(jié)電容和取樣電阻形成一個(gè)RC充電回路,RC值的大小決定了光電探測(cè)器的響應(yīng)速度。對(duì)于一個(gè)給定探測(cè)器,C 值是隨著VCC電壓值變化而變化的。電容值隨VCC變化典型曲線如下圖。當(dāng)VCC值不穩(wěn)時(shí)(如用噪聲大的開關(guān)電源給探測(cè)器做偏壓,就會(huì)使結(jié)電容不穩(wěn),結(jié)電容的大小會(huì)影響響應(yīng)度;這樣,VCC的噪聲會(huì)通過改變結(jié)電容的大小而轉(zhuǎn)化成信號(hào)的噪聲。確定了探測(cè)器種類和VCC后,C值就固定了,此時(shí),減小R值可以減小響應(yīng)時(shí)間,增大響應(yīng)帶寬;但是,減小R值又會(huì)減小響應(yīng)幅度。這又是一對(duì)矛盾。 對(duì)于探測(cè)微弱信號(hào)而言,需要一個(gè)比較大的取樣電阻,而取樣電阻如果很大,對(duì)于后級(jí)電路來

3、說,相當(dāng)于一個(gè)大的輸出阻抗,這對(duì)后級(jí)電路的處理帶來了困難。如下圖所示意,如果后級(jí)電路的輸入電阻為1M歐,那么信號(hào)電壓只有一半被后級(jí)放大器提取,所以,要求后級(jí)電路有很大的輸入阻抗,才能盡可能多的提取信號(hào)能量。到了這里,您可能會(huì)說,是否可以選擇一種光電探測(cè)器,使它能夠?qū)庑盘?hào)更為敏感,也就是說,單位光功率可以得到更大一些的光電流,這樣就減輕了電路的壓力。是的,有響應(yīng)更大的器件。但是,增大光電響應(yīng)度,在半導(dǎo)體工藝上需要增大光敏面積,而增大光敏面積的一個(gè)伴生效應(yīng)是增大結(jié)電容。前面提到,增大結(jié)電容的壞處是降低響應(yīng)速度。 一個(gè)典型的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖如下所示: 可以看到,一個(gè)光電探測(cè)器由一個(gè)光生電流源和一個(gè)

4、電容構(gòu)成。由PN結(jié)理論,增大加在光電探測(cè)器上的反偏電壓,會(huì)拉長(zhǎng)耗盡區(qū),拉長(zhǎng)耗盡區(qū)的結(jié)果是使結(jié)電容變小。從而得知,結(jié)電容是反偏電壓的單調(diào)遞減函數(shù)。上面的結(jié)構(gòu)還不能完全反映一個(gè)光電探測(cè)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們知道,光電探測(cè)器是基于半導(dǎo)體工藝的,半導(dǎo)體材料不是絕緣體,所以,結(jié)上還有一個(gè)寄生電阻,這個(gè)電阻相當(dāng)于并聯(lián)于結(jié)電容上,通常,值在100M歐的量級(jí)。如下頁(yè)圖所示。在電路中,沒有光信號(hào)輸入時(shí),光電探測(cè)器仍然會(huì)流出光電流,這個(gè)光電流的起因就是寄生電阻和偏置電壓共同作用的結(jié)果。沒有信號(hào)時(shí)探測(cè)器流出的電流,稱為光電探測(cè)器的“暗電流”。 根據(jù)光電探測(cè)器這些性質(zhì),派生出兩種用法:第一種是無偏用法,第二種是有偏用法。

5、無偏用法示意圖如下: 由于這種用法沒有給光電探測(cè)器加偏壓,所以寄生電阻上沒有電流產(chǎn)生,從而就沒有暗電流。由于沒有零偏壓,結(jié)電容也會(huì)保持一個(gè)恒定值,響應(yīng)度也就不會(huì)因?yàn)槠珘焊淖兌淖?從而降低了系統(tǒng)的噪聲,也使響應(yīng)的線形度良好。無偏用法,由于沒有暗電流,噪聲小,線形度好,所以使微弱光信號(hào)探測(cè)成為可能。有偏用法如下頁(yè)圖所示: 該電路中,給光電探測(cè)器加上了10V的偏壓,這樣帶來了兩個(gè)影響:第一減小了結(jié)電容,從而提高了響應(yīng)速度,這是積極影響;但是,也在寄生電阻上加了電壓,從而會(huì)產(chǎn)生暗電流。對(duì)于100M的寄生電阻而言,產(chǎn)生的暗電流是100nA。綜上所述,無偏用法用于精度敏感于速度的場(chǎng)合,有偏用法用于速度敏

6、感于精度的場(chǎng)合。要想得到高速的響應(yīng),我們需要有偏用法。下面我們繼續(xù)分析有偏用法。按照上圖接好電路后,我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn),運(yùn)算放大器的輸出是震蕩的: 產(chǎn)生震蕩的根本原因是光電探測(cè)器的結(jié)電容。在頻域上講,該結(jié)電容相當(dāng)于給運(yùn)算放大器引入了一個(gè)極點(diǎn);在時(shí)域上講,該結(jié)電容延遲了信號(hào)的響應(yīng)。 解決震蕩的手短是在反饋電阻上并聯(lián)一合適的電容,對(duì)電路補(bǔ)償一個(gè)極點(diǎn)。原理請(qǐng)參考OP放大電路設(shè)計(jì)一書。 按照這個(gè)電路設(shè)計(jì)出來的光電檢測(cè)電路可能會(huì)出現(xiàn)以下兩種故障:1、輸出有一個(gè)很高的直流電平,哪怕是沒有光照輸入的時(shí)候該電平也不能消除2、輸出可能一直為0,哪怕有很強(qiáng)的光照時(shí)輸出也為0。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是運(yùn)放的偏置電流可以和光

7、電流相比擬。我們總是期望運(yùn)放是完全滿足虛短,虛斷,虛地的完美運(yùn)放,這三虛理在論上是完美的,但哪一虛都沒有可能在真實(shí)的器件上實(shí)現(xiàn),題外話,三個(gè)代表和運(yùn)放的三虛有異曲同工之處。實(shí)際的運(yùn)放或多或少會(huì)在輸入級(jí)產(chǎn)生一個(gè)偏置電流IB,這個(gè)IB可能大小可能會(huì)和光電流相當(dāng),這就否定了虛斷這一理想假設(shè)。雙極型晶體管輸入結(jié)構(gòu)的運(yùn)放有比較大的偏置電流,但是該偏置電流值不隨溫度變化; JFET 型輸入結(jié)構(gòu)的運(yùn)放有比較小的偏置電流,但偏置電流值隨溫度變化明顯;MOS 管輸入 結(jié)構(gòu)中的 ESD 保護(hù)二極管失配也會(huì)帶來偏置電流. 解決這個(gè)問題的辦法有如下幾種: 1, 選用小偏置電流的運(yùn)放.小到可以和光電探測(cè)器的暗電流相比擬

8、 這種辦法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,容易調(diào)試,缺點(diǎn)是可能造價(jià)較高. 2, 增加補(bǔ)償電阻 如下圖所示: 此種辦法的思路是用光電檢測(cè)器兩端的補(bǔ)償電阻來補(bǔ)償偏置電流抬高的輸出電位,從 而使輸出保持 0(輸入為 0 的情形下 . 此種辦法可以用比較通用的運(yùn)放來完成任務(wù),缺點(diǎn)是補(bǔ)償電阻的參數(shù)不一致性會(huì)帶來 一定的誤差. 3, 采用閉環(huán)伺服電路 用另外一片運(yùn)放可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償偏置誤差. 如下頁(yè)圖所示.此種辦法的缺點(diǎn)是,探測(cè)信號(hào)只能為交流信號(hào). 最后一個(gè)影響光電檢測(cè)電路的障礙是誤差.對(duì)于一個(gè)跨導(dǎo)式光電檢測(cè)電路,對(duì)運(yùn)放的 反向輸入端的電流噪聲特別敏感, 對(duì)同向輸入端的電壓噪聲特別敏感. 這在電路涂上很容易 理解, 通向輸入端的電壓噪聲會(huì)直接抬高輸出電壓, 反向輸出端的電流噪聲會(huì)通過反饋電阻 耦合到輸出. 解決這個(gè)問題的手短有如下幾個(gè): 1, 選用低電流噪聲,低電壓噪聲的運(yùn)放 事實(shí)上,雙極型運(yùn)放有較低的電壓噪聲,JFET 型運(yùn)放有較低的電流噪聲;而電壓噪聲, 電流噪聲都低得運(yùn)放很難找,就算找的到價(jià)格也會(huì)相當(dāng)昂貴. 所以,我們只能在電壓噪聲,電流噪聲,器件成本,性能需求之間進(jìn)行折衷.實(shí)際上, 電路設(shè)計(jì)也是一個(gè)折衷妥協(xié)的過程. 2, 減小運(yùn)放輸入級(jí)的引線.減小引線可以減小空間耦合的噪聲,在一定程度上可提高 光電檢測(cè)電路的性能. 3, 采用額外的補(bǔ)償電路 此種方案可以較好的解決噪聲,但調(diào)試起