光電二極管放大器的設(shè)計(jì)技巧分享

本文涵蓋了與基于光電二極管系統(tǒng)的跨阻放大器設(shè)計(jì)相關(guān)的重要細(xì)節(jié)。

如何放大光電二極管信號(hào)

放大光電二極管產(chǎn)生的極低幅度電流的標(biāo)準(zhǔn)方法是將此電流用作基于運(yùn)算放大器的跨阻放大器 （TIA） 的輸入。下圖提供了一個(gè)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(guān)跨阻放大器的更多信息，請(qǐng)參閱AAC 關(guān)于此主題的視頻教程。

保持光電二極管電路的穩(wěn)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(bǔ)償光電二極管的內(nèi)部結(jié)電容來避免振蕩問題，這會(huì)在反饋網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)。C F通過在反饋網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建零來進(jìn)行補(bǔ)償。

振蕩是光電二極管電路的一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問題。確實(shí)，內(nèi)部頻率補(bǔ)償通?？梢员Ｗo(hù)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)不受不穩(wěn)定影響，但即使您使用內(nèi)部補(bǔ)償運(yùn)算放大器，光電二極管 TIA 也會(huì)發(fā)生振蕩。

您可以在我的負(fù)反饋系列的第 8 部分中了解更多關(guān)于光電二極管放大器穩(wěn)定性的信息，包括如何有效調(diào)整補(bǔ)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(shí)光或熱事件產(chǎn)生的波形。您可以使用交流耦合來消除環(huán)境輻射的影響，從而允許系統(tǒng)僅檢測瞬態(tài)照明，但波形的下降沿可能會(huì)延伸到地以下。

這在單電源系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)問題：如果運(yùn)算放大器的負(fù)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(yùn)算放大器的同相輸入端子施加一個(gè)小的直流電壓（稱為 V OFFSET）來解決這個(gè)問題；V OFFSET將成為放大器在沒有輸入信號(hào)時(shí)產(chǎn)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(tài)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(gè)例子中，我使用一個(gè)電阻分壓器來產(chǎn)生一個(gè)合適的偏移電壓。并聯(lián)電容器有助于抑制來自電源的高頻噪聲。

您選擇的失調(diào)電壓取決于應(yīng)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(huì)損失 300 mV 的信號(hào)擺幅，正部分可能需要這些擺幅的波形。

請(qǐng)記住，由于虛擬短路，施加到同相輸入端子的電壓也會(huì)出現(xiàn)在反相輸入端子上。這意味著正偏移電壓將導(dǎo)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(duì)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(shè)計(jì)單電源系統(tǒng)，您也應(yīng)該考慮包括一個(gè)小的（可能是 100 mV）偏移電壓，因?yàn)樗梢苑乐惯\(yùn)算放大器在負(fù)軌上飽和。

飽和并不是災(zāi)難性的，但運(yùn)算放大器（與比較器不同）并未針對(duì)在電源軌上產(chǎn)生輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化。飽和運(yùn)算放大器需要一些時(shí)間才能脫離飽和狀態(tài)；因此，在負(fù)軌處飽和的 TIA 在響應(yīng)輸入信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些延遲。

結(jié)論

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