光電二極管及相關(guān)電路問(wèn)題知識(shí)分享

翻譯:? TI信號(hào)鏈工程師 David Zhao (趙大偉)

看到技術(shù)論壇上出現(xiàn)不少關(guān)于光電二極管和相關(guān)電路的問(wèn)題，針對(duì)這方面內(nèi)容，我想跟更多同行做個(gè)分享。這些知識(shí)是所有模擬設(shè)計(jì)者所必須了解的。?

一個(gè)典型的光電二極管模型包含以下關(guān)鍵元素，一個(gè)二極管并聯(lián)一個(gè)電流源，并且電流源與光強(qiáng)成正比。寄生元件CD和 RD?會(huì)影響器件性能。

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光伏模式-光電流在如圖2所示的環(huán)路中流動(dòng)，并且給二極管提供正向偏置。由于二極管的電壓電流間成對(duì)數(shù)關(guān)系，因此空載的輸出電壓與光電流間近似成對(duì)數(shù)關(guān)系，并且通過(guò)RD 上的一個(gè)小電流得到修正。所以輸出電壓與光強(qiáng)之間是高度非線性的關(guān)系。某些應(yīng)用將很受益于對(duì)數(shù)關(guān)系,因?yàn)樵诤艽蟮姆秶鷥?nèi)，光強(qiáng)的改變(眼睛是完美的對(duì)數(shù)型)會(huì)使電壓發(fā)生類似的改變。由于二極管電壓電流特性與溫度相關(guān)，電壓與光強(qiáng)之間的絕對(duì)關(guān)系很差。

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在光伏模式下，二極管電容限制了頻率響應(yīng)。光強(qiáng)的快速改變會(huì)對(duì)CD進(jìn)行充放電。這并不是用于快速響應(yīng)的模式。

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輸出端可以引入緩沖，或者輸出端也可以進(jìn)行同相放大。為了實(shí)現(xiàn)低的輸入偏置電流，可以使用CMOS或者JFET的運(yùn)算放大器。從而在低的光強(qiáng)的情況下，運(yùn)放不至于成為光電二極管的負(fù)載。

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在光伏模式下的輸出功率，當(dāng)輸出端引入負(fù)載時(shí)電壓會(huì)有明顯的下降。為了輸出最高的功率，所采用的負(fù)載值由光強(qiáng)決定。

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光敏模式-二極管電壓為常量，如圖3所示，通常為0V。通常會(huì)使用跨阻放大器來(lái)將光電流轉(zhuǎn)換為電壓?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)光電二極管加反向偏置的方法來(lái)降低它的電容，但這會(huì)造成暗電流的泄露。當(dāng)二極管兩端沒(méi)有正向電壓的時(shí)候，響應(yīng)與光強(qiáng)之間是成線性關(guān)系的。此外，二極管電容兩端的電壓不會(huì)隨著光強(qiáng)的改變而改變，因此頻率響應(yīng)大大改善了。由于電容在負(fù)反饋的回路中形成了一個(gè)極點(diǎn)，因此很有必要降低電容的值。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的，通常引入一個(gè)反饋電容CF。

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僅僅通過(guò)加載一個(gè)大約50歐姆左右的阻值的光電二極管，你就可以從光敏模式中得到很多益處。如果二極管電壓沒(méi)超過(guò)20 mV，就沒(méi)必要對(duì)二極管進(jìn)行正向偏置，同時(shí)響應(yīng)也是是合理的并且快速的。然而靈敏度會(huì)很低。

雪崩式光電二極管是特殊的模式，需要對(duì)其提供接近于擊穿電壓的反向偏置電壓。這就使得在低光強(qiáng)的情況下，輸出電流可以被放大。

選擇光電二極管的時(shí)候會(huì)存在很多權(quán)衡，包括光電二極管的尺寸，電容，噪聲，暗電流以及封裝類型。一般來(lái)說(shuō)，最好是選用較小的同時(shí)帶有反射器或者透鏡可以聚集光源的光電二極管。德州儀器沒(méi)有生產(chǎn)單獨(dú)的光電二極管，然而對(duì)于很多基本的應(yīng)用，將光電二極管和跨阻放大器集成在一塊芯片上的OPT101會(huì)提供一個(gè)完整的解決方案。

我知道許多工程師專職設(shè)計(jì)光電二極管電路，對(duì)于高性能的應(yīng)用，還有很多需要學(xué)習(xí)的東西。我在這方面并不是一個(gè)權(quán)威，但我愿把我的所知拿來(lái)與大家分享。事實(shí)上，對(duì)于我的大部分話題，我都不是權(quán)威。這也就是我不寫(xiě)書(shū)，而僅僅寫(xiě)博客的原因。