单电源PD放大电路有无偏置电压会有多大的影响？

前段时间在TI的一篇关于单电源PD放大电路文档中，看到了它必须要加偏置电压的描述，参见图1。当时不太明白这样做的原因，这里进行仿真看下有无偏置电压会有多大的影响。

图1 TI文档中的单电源PD放大电路中一定要有的偏置电压

查到有资料说，这跟运放的恢复时间有关。任何运放的输出都不可能完全与电源轨重合，即使宣称是轨对轨输出的运放，比如AD8065；参见图2、图3。回过头看图1，假如没有偏置电压，即同相输入端直接接地，当PD没有光输入的时候它输出的电流IPD=0（实际上完全无光情况下PD也会有暗电流的，但很小、一般为pA级别，所以可以忽略），那么运放此时应该输出0V。

在图3中可以看到，它在单电源5V供电下，是不可能输出0V的。那么会发生什么情况呢？答案是运放输出会饱和的。 一旦运放进入饱和区，重新回到线性区是需要一定时间的，这个时间叫作“恢复时间” 。

图2 宣称轨对轨输出的运放AD8065

图3 单电源5V供电下AD8065的输出范围，并不会与电源轨道重合

这在PD测粒子的应用中可能是不被接受的。假如PD大部分时间都在无光情况下，突然来了一个光脉冲，由于恢复时间的影响，电路表现得就像带宽不够一样，波形会失真。

我们可以仿真看一下。仿真电路参见图5，电路设置的带宽为159Khz，根据公式可以计算出在这个带宽下最高允许的上升时间tr。公式为0.35/f（Hz）=tr（s），代入后得到tr为2.2us。因为这个公式假设运放为二阶系统，实际上运放并不是这样，所以预留一些裕量，我这里设置的输入信号tr为3.2us。电流波形参数设置参见图4，仿真电路为图5。

图4 仿真电路设置的tr为4us（0.1~0.9），电流从0uA到10uA

图5 单电源PD仿真电路（调整V2大小对比测试）

注意，仿真电路前一定要先看下频域响应以确认电路功能是否正确，比如有的线没有连接好，仿真软件是不会报错的。我这里频域仿真时就出问题了，带宽并不是我设置的159Khz，只有约25Khz。后来发现是因为图5中给PD建模中用到的二极管的缘故，去掉它才可以。实际中为PD建模，用的二极管为理想二极管。 仿真发现有无偏置电压、偏置电压大小，在频域仿真的时候就有差别了，参见表1 。

表1 不同偏置电压下的直流增益和截止频率

好啦，可以开始仿真看结果了。我们来对比下有无偏置偏压时输出信号是否会存在差别，这里对比的是0V偏置电压和0.5V偏置电压，因为偏置在后者电压时，频域响应才是正常的。而0V是最不正常的。

表2 不同偏置电压输出波形对比

图6 0V偏置电压情况下的输出波形

图7 0.5V偏置电压情况下的输出波形，tr为3.89us

最后，单电源PD放大电路应用，一定要加一个偏置电压，否则高频应用时会表现为带宽不够，造成失真。到时提前仿真看看效果是个不错的注意。