精密的單電源光檢測電路設計方案

2020-12-03 電子產品世界

摘 要 論述了光電二極體檢測電路的組成及工作原理,給出了光電二極體、前置運放、反饋網絡的SPICE子模型及系統模型;著重分析了系統穩定性、噪聲特性以及提高穩定性和減小噪聲的方法。提供了採用通用電路模擬軟體SPICE進行相關性能模擬的實例。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/178790.htm

關鍵詞 光檢測電路 SPICE模擬 穩定性 噪聲特性

光電二極體及其相關的前置放大器是基本物理量和電子量之間的橋梁。許多精密應用領域需要檢測光亮度並將之轉換為有用的數位訊號。光檢測電路可用於CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測器、位置傳感器、紅外高溫計和色譜分析儀等系統中。在這些電路中,光電二極體產生一個與照明度成比例的微弱電流。而前置放大器將光電二極體傳感器的電流輸出信號轉換為一個可用的電壓信號。看起來好象用一個光電二極體、一個放大器和一個電阻便能輕易地實現簡單的電流至電壓的轉換,但這種應用電路卻提出了一個問題的多個側面。為了進一步擴展應用前景,單電源電路還在電路的運行、穩定性及噪聲處理方面顯示出新的限制。

本文將分析並通過模擬驗證這種典型應用電路的穩定性及噪聲性能。首先探討電路工作原理,然後如果讀者有機會的話,可以運行一個SPICE模擬程序,它會很形象地說明電路原理。以上兩步是完成設計過程的開始。第三步也是最重要的一步（本文未作討論）是製作實驗模擬板。

1 光檢測電路的基本組成和工作原理

設計一個精密的光檢測電路最常用的方法是將一個光電二極體跨接在一個CMOS輸入放大器的輸入端和反饋環路的電阻之間。這種方式的單電源電路示於圖1中。

在該電路中,光電二極體工作於光致電壓（零偏置）方式。光電二極體上的入射光使之產生的電流ISC從負極流至正極,如圖中所示。由於CMOS放大器反相輸入端的輸入阻抗非常高,二極體產生的電流將流過反饋電阻RF。輸出電壓會隨著電阻RF兩端的壓降而變化。

圖中的放大系統將電流轉換為電壓,即

VOUT = ISC ×RF （1）

圖1 單電源光電二極體檢測電路

式（1）中,VOUT是運算放大器輸出端的電壓,單位為V;ISC是光電二極體產生的電流,單位為A;RF是放大器電路中的反饋電阻,單位為W 。圖1中的CRF是電阻RF的寄生電容和電路板的分布電容,且具有一個單極點為1/（2p RF CRF）。

用SPICE可在一定頻率範圍內模擬從光到電壓的轉換關係。模擬中可選的變量是放大器的反饋元件RF。用這個模擬程序,激勵信號源為ISC,輸出端電壓為VOUT。

此例中,RF的預設值為1MW ,CRF為0.5pF。理想的光電二極體模型包括一個二極體和理想的電流源。給出這些值後,傳輸函數中的極點等於1/（2p RFCRF）,即318.3kHz。改變RF可在信號頻響範圍內改變極點。

遺憾的是,如果不考慮穩定性和噪聲等問題,這種簡單的方案通常是註定要失敗的。例如,系統的階躍響應會產生一個其數量難以接受的振鈴輸出,更壞的情況是電路可能會產生振蕩。如果解決了系統不穩定的問題,輸出響應可能仍然會有足夠大的「噪聲」而得不到可靠的結果。

實現一個穩定的光檢測電路從理解電路的變量、分析整個傳輸函數和設計一個可靠的電路方案開始。設計時首先考慮的是為光電二極體響應選擇合適的電阻。第二是分析穩定性。然後應評估系統的穩定性並分析輸出噪聲,根據每種應用的要求將之調節到適當的水平。

這種電路中有三個設計變量需要考慮分析,它們是：光電二極體、放大器和R//C反饋網絡。首先選擇光電二極體,雖然它具有良好的光響應特性,但二極體的寄生電容將對電路的噪聲增益和穩定性有極大的影響。另外,光電二極體的並聯寄生電阻在很寬的溫度範圍內變化,會在溫度極限時導致不穩定和噪聲問題。為了保持良好的線性性能及較低的失調誤差,運放應該具有一個較小的輸入偏置電流（例如CMOS工藝）。此外,輸入噪聲電壓、輸入共模電容和差分電容也對系統的穩定性和整體精度產生不利的影響。最後,R//C反饋網絡用於建立電路的增益。該網絡也會對電路的穩定性和噪聲性能產生影響。

2 光檢測電路的SPICE模型

2.1 光電二極體的SPICE模型

一個光電二極體有兩種工作方式：光致電壓和光致電導,它們各有優缺點。在這兩種方式中,光照射到二極體上產生的電流ISC方向與通常的正偏二極體正常工作時的方向相反,即從負極到正極。

光電二極體的工作模型示於圖2中,它由一個被輻射光激發的電流源、理想的二極體、結電容和寄生的串聯及並聯電阻組成。

圖2 非理想的光電二極體模型

當光照射到光電二極體上時,電流便產生了,不同二極體在不同環境中產生的電流ISC、具有的CPD、RPD值以及圖中放大器輸出電壓為0~5V所需的電阻RF值均不同,例如SD-020-12-001矽光電二極體,在正常直射陽光（1000fc[英尺-燭光]）時,ISC=30m A、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=167kW ;睛朗白天（100fc）時,ISC = 3m A、CPD=50pF、RPD= 1000 MW 、RF=1.67MW ;桌上室內光（1.167fc）時,ISC=35nA、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=142.9MW 。可見光照不同時,ISC有顯著變化,而CPD、RPD基本不變。

工作於光致電壓方式下的光電二極體上沒有壓降,即為零偏置。在這種方式中,為了光靈敏度及線性度,二極體被應用到最大限度,並適用於精密應用領域。影響電路性能的關鍵寄生元件為CPD和RPD,它們會影響光檢測電路的頻率穩定性和噪聲性能。

結電容CPD是由光電二極體的P型和N型材料之間的耗盡層寬度產生的。耗盡層窄,結電容的值大。相反,較寬的耗盡層（如PIN光電二極體）會表現出較寬的頻譜響應。矽二極體結電容的數值範圍大約從20或25pF到幾千pF以上。結電容對穩定性、帶寬和噪聲等性能產生的重要影響將在下面討論。

在光電二極體的數據手冊中,寄生電阻RPD也稱作「分流」電阻或「暗」電阻。該電阻與光電二極體零偏或正偏有關。在室溫下,該電阻的典型值可超過100MW 。對於大多數應用,該電阻的影響可被忽略。

分流電阻RPD是主要的噪聲源,這種噪聲在圖2中示為ePD。RPD產生的噪聲稱作散粒噪聲（熱噪聲）,是由於載流子熱運動產生的。

二極體的第二個寄生電阻RS稱為串聯電阻,其典型值從10W 到1000W 。由於此電阻值很小,它僅對電路的頻率響應有影響。光電二極體的漏電流IL是引發誤差的第四個因素。如果放大器的失調電壓為零,這種誤差很小。

與光致電壓方式相反,光致電導方式中的光電二極體具有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當此電壓加至光檢測器上時,耗盡層的寬度會增加,從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利於高速工作,然而,線性度和失調誤差尚未最優化。這個問題的折衷設計將增加二極體的漏電流IL和線性誤差。

下面將集中討論光致電壓方式下的光電二極體的應用領域。


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