优化精密光电二极管传感器电路设计

光电二极管是许多基于光的测量中最受欢迎的传感器类型之一。吸收和发射光谱、色度测量、浊度、气体检测等应用都依赖于光电二极管进行精密光测量。

光电二极管产生的电流与照射到其有效区域的光成比例。大多数测量应用涉及使用跨阻放大器将光电二极管电流转换为输出电压。图1显示了电路的简化原理图。

图1.简单的跨阻放大器电路。

该电路在光伏模式下工作光电二极管，其中运算放大器将光电二极管两端的电压保持在0 V。这是精密应用中最常见的配置。光电二极管的电压与电流曲线与常规二极管非常相似，不同之处在于整个曲线会随着光照水平的变化而向上或向下移动。图2a显示了典型的光电二极管传递函数。图2b是传递函数的放大图，显示了光电二极管如何在没有光的情况下输出小电流。这种“暗电流”随着光电二极管两端反向电压的增加而增长。大多数制造商指定光电二极管暗电流的反向电压为10 mV。

图2.典型的光电二极管传递函数。

当光线照射到光电二极管的有效区域时，电流从阴极流向阳极。理想情况下，所有光电二极管电流流过图1所示的反馈电阻，产生的输出电压等于光电二极管电流乘以反馈电阻。该电路在概念上很简单，但您必须解决一些挑战才能从系统中获得最佳性能。

DC 注意事项

第一个挑战是选择具有符合应用要求的直流规格的运算放大器。大多数精密应用在列表顶部具有低输入失调电压。输入失调电压出现在放大器的输出端，导致整体系统误差，但在光电二极管放大器中，它会产生额外的误差。输入失调电压出现在光电二极管两端，导致暗电流增加，从而进一步增加系统失调误差。您可以通过软件校准、交流耦合或两者的组合来消除初始直流失调，但较大的失调误差会降低系统的动态范围。幸运的是，有多种运算放大器可供选择，其输入失调电压在数百甚至数十微伏。

下一个重要的直流规格是运算放大器的输入漏电流。进入运算放大器输入端或通过反馈电阻以外的其他任何位置的任何电流都会导致测量误差。没有零输入偏置电流的运算放大器，但一些CMOS或JFET输入运算放大器接近。例如，AD8615在室温下的最大输入偏置电流为1 pA。经典AD549的最大输入偏置电流为60 fA，经过保证和生产测试。FET输入放大器的输入偏置电流随着温度的升高呈指数级增长。许多运算放大器的规格为85°C或125°C，但对于那些没有的，一个很好的近似值是，温度每升高10度，电流就会翻倍。

另一个挑战是设计电路和布局，以最大限度地减少可能破坏低输入偏置电流运算放大器性能的外部泄漏路径。最常见的外部泄漏路径是通过印刷电路板本身。例如，图3显示了图1的光电二极管放大器原理图的一种可能布局。粉红色走线是+5 V电源轨，为放大器供电并断开到电路板的其他部分。如果+5 V走线和承载光电二极管电流的走线之间的电路板电阻为5 GΩ（显示为RL在图3中，1 nA电流将从+5 V走线流入放大器。这显然会破坏为应用仔细选择1 pA运算放大器的目的。最小化这种外部泄漏路径的一种方法是增加承载光电二极管电流的走线与任何其他走线之间的电阻。这可以像在跟踪周围添加大型路由禁止项一样简单，以增加与其他跟踪的距离。对于某些极端应用，一些工程师将完全消除PCB布线，并将光电二极管引线穿过空气直接送入运算放大器的输入引脚。

图3.带泄漏路径的光电二极管布局。

防止外部泄漏的另一种方法是在承载光电二极管电流的走线附近运行保护走线，确保两者被驱动到相同的电压。图4显示了承载光电二极管电流的网络周围的保护迹线。由+5 V走线引起的漏电流现在流经RL进入保护走线，而不是进入放大器。在该电路中，保护走线和输入走线之间的电压差仅由运算放大器的输入失调电压引起，这也是选择低输入失调电压放大器的另一个原因。

图4.使用保护走线减少外部泄漏。

交流注意事项

虽然大多数精密光电二极管应用往往是低速的，但我们仍然需要确保系统的交流性能足以满足应用的需求。这里的两个主要问题是信号带宽（或闭环带宽）和噪声带宽。

闭环带宽取决于放大器的开环带宽、增益电阻和总输入电容。光电二极管输入电容变化很大，从高速光电二极管的几皮法到超大面积精密光电二极管的几千皮法。但是，在运算放大器输入端增加电容会导致其变得不稳定，除非通过增加反馈电阻两端的电容来补偿它。反馈电容限制了系统的闭环带宽。您可以使用公式1计算最大可能的闭环带宽，该带宽将导致相位裕量为45度。

哪里：

fU是放大器的单位增益频率。

RF是反馈电阻。

C在是输入电容，包括二极管电容和电路板上的任何其他寄生电容等。

CM是运算放大器的共模电容。

CD是运算放大器的差分电容。

例如，如果您的应用具有15 pF的光电二极管电容和1 MΩ的跨阻增益，公式1预测您需要一个单位增益带宽约为95 MHz的放大器才能实现1 MHz的信号带宽。这是具有45°的相位裕量，这将在信号阶跃变化期间引起峰值。您可能希望通过设计60°或更高的相位裕量来减少峰值，这需要更快的放大器。这就是为什么像ADA4817-1这样的器件具有20 pA的最大输入偏置电流和约400 MHz的单位增益频率，非常适合高增益光电二极管应用，即使对于中等带宽也是如此。

在大多数系统中，光电二极管电容将主导总输入电容，但某些应用在选择具有极低输入电容的运算放大器时可能需要格外小心。为了解决这个问题，一些运算放大器提供了旨在降低输入电容的特殊引脚排列。例如，图5显示了ADA4817-1的引脚排列，该引脚排列将运算放大器输出路由到反相输入附近的引脚。

图5.ADA4817-1引脚排列针对低寄生电容进行了优化。

使用光电二极管设计时，系统噪声通常是另一个挑战。输出噪声的主要贡献因素是放大器的输入电压噪声和反馈电阻的约翰逊噪声。来自反馈电阻的噪声出现在输出端，无需额外放大。如果增加电阻的大小以放大光电二极管电流，则增益电阻引起的噪声增加只会增加电阻值增加的平方根。实际上，这意味着在光电二极管放大器中增加尽可能多的增益是有益的，而不是增加第二个放大器级，后者的噪声将随增益线性增加。

放大器的输出噪声是输入电压噪声乘以放大器的噪声增益。噪声增益不仅由反馈电阻决定，还由反馈和输入电容决定，因此在整个频率范围内不是恒定的。图6显示了放大器噪声增益与频率的典型关系图，其中闭环增益叠加以供参考。从该图中可以了解到的两件事是，输出噪声在某些频率下增加，以及噪声峰值可能超出放大器闭环截止带宽的频率范围。

图6.光电二极管放大器的噪声增益在较高频率下增加。

由于无法利用此带宽，因此请使用设置为放大器信号带宽的低通滤波器来降低噪声。

使用可编程增益扩展动态范围

由于反馈电阻的约翰逊噪声随电阻的平方根而增加，因此在光电二极管放大器中而不是在第二级中具有尽可能多的增益是有意义的。您可以更进一步，在光电二极管放大器中添加可编程增益，如图7所示。

图7.可编程增益光电二极管放大器的概念。

开关 S1选择所需的反馈路径，以便为不同的信号选择最佳增益。不幸的是，模拟开关具有导通电阻，这将给我们的电路带来增益误差。该导通电阻会随着施加的电压、温度和其他因素而变化，因此您必须找到一种方法将其从电路中消除。图8显示了如何使用两组开关来消除反馈环路中导通电阻引起的误差。使用该电路，反馈环路内有一个开关，如图7所示，但不是查看放大器输出端的电压，而是开关S。2将电路输出直接连接到增益电阻。这消除了由于电流流过开关S而导致的任何增益误差1.使用该电路时的权衡之一是输出不再具有与放大器输出相关的极低阻抗，因为它包括多路复用器S的导通电阻2.如果下一级具有高阻抗输入，例如使用ADC驱动器，这通常不是一个大问题。

图8.使用两组开关可减少由于环路内的额外电阻而导致的误差。

使用调制和同步检测来降低噪声

许多精密应用涉及测量通过样品吸收或反射的直流光水平。

虽然某些应用允许屏蔽所有环境光，但许多其他系统（主要是在工业环境中）必须在环境光下运行。在这种情况下，您可以调制光源并使用同步检测将信号从电和光干扰最高的低频频谱移开。最简单的调制形式是快速打开和关闭光源。根据光源的不同，您可以对其进行电子调制，或者像一些较旧的仪器一样，您可以使用机械斩波器以给定的速率阻挡光线。

例如，如果您有兴趣测量通过物质的光吸收以确定浓度，则可以在几kHz处斩波光源。图9显示了这如何使测量远离大多数环境中通常存在的大多数低频光污染，例如由于一天中的时间引起的环境光水平变化，50 Hz/60 Hz荧光灯等。

图9.对输入信号进行斩波可将信息移动到斩波频率并远离环境噪声。

由于您可以控制调制信号的频率，因此可以使用相同的时钟同步解调接收到的光。图10所示电路是一个非常简单的同步解调器。光电二极管放大器输出端的电压是交流耦合的，然后通过一个可编程增益为+1和–1的放大器。增益开关同步，在预计灯亮时将增益精确设置为 +1，在预计灯熄灭时将增益设置为 –1。理想情况下，输出将是对应于光脉冲幅度的直流电压。低通滤波器抑制与调制时钟不同步的任何其他信号。低通滤波器的截止频率相当于带通滤波器在调制频率周围的宽度。例如，如果调制频率为5 kHz，而您使用带宽为10 Hz的低通滤波器，则电路输出将传递4.99 kHz至5.01 kHz的信号。降低低通滤波器带宽会导致更强的抑制，但代价是建立时间较慢。

图 10.同步检测电路。

图 9 还显示了使用切碎时的另一个注意事项。得到的波形不是频域中的一条线（这需要正弦波），而是斩波频率及其奇次谐波的一条线。斩波频率奇次谐波处存在的任何噪声都将以最小的衰减出现在输出端。您可以使用正弦波调制完全消除这种情况，但这需要更复杂或更昂贵的电路。另一种解决方案是选择一个古怪的基频，其谐波不与任何已知的干扰源重合。您还可以在固件中实现图 10 的相同功能。您可以与调制时钟同步对斩波光信号进行采样，并使用数字信号处理技术提取目标频率的幅度信息。

结论

光电二极管放大器是大多数精密光学测量系统的重要组成部分。选择合适的运算放大器是获得最佳系统性能的重要第一步，使用其他性能增强技术（如使用可编程增益和同步检测）有助于提高动态范围并抑制噪声。

审核编辑：郭婷