光電二極管放大電路設計的幾點思考

佘敏敏 宋贛祥 黃軍偉

摘 要：光電二極管可以將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，這就可以對空間中的光量進行監(jiān)測?；痉糯箅娐方Y(jié)構簡單，但在實際應用過程中仍是受到了很多方面的限制.本文在基本光電二極管放大電路的基礎上使用了T型電阻網(wǎng)絡來代替電流-電壓轉(zhuǎn)換電阻來控制在高增益情況時潛在的殘余偏移量；為了降低電路中所產(chǎn)生噪聲的影響，本文在基本放大電路的基礎上，增加了一個運算放大器和反饋元件，組成了噪聲濾波復合放大器，以此來達到控制直流偏置和降噪的目的。

關鍵詞：光電二極管；運算放大器；電路設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.129

光電二極管能夠輸出滿足大多數(shù)電子儀器所需的電壓輸出，但是這種輸出模式卻導致了非線性的響應特性和非常有限的帶寬。如果使光電二極管輸出為電流，再對輸出的電流進行電流-電壓轉(zhuǎn)換，就可以極大地提高它的效能和特性，這就要求光電二極管和信號電壓隔離開來，這種基于運算放大器的電流-電壓轉(zhuǎn)換器就是最基本的光電二極管放大電路（見圖1）。

1 偏置

在光電二極管的應用中，放大器的輸入電流和光電二極管的漏電流同時流過反饋電阻Rf，那么在電路輸出端就會出現(xiàn)直流偏置。

如圖2所示，使用一個T型電阻網(wǎng)絡來代替圖1中的Rf，可以極大地減少偏置誤差（其中Rft>>R1，R1>>R2）。這個T型網(wǎng)絡產(chǎn)生了與Rf等效的反饋阻抗，但是它的阻抗值要小得多。

首先要考慮信號條件，電路的反饋通路在放大器的反相輸入端接收了光電二極管的電流Ip，那么反饋信號就在Rft上產(chǎn)生一個電壓IpRft。對于基本電流-電壓轉(zhuǎn)換器來說，IpRft是電路的輸入電壓。由R1和R2構成的分壓器可以使得輸出電壓e0增大，直到滿足電壓IpRft的要求，e0=IpRfeq中的Rfeq=Rft+R1+RftR1/R2為T型等效反饋阻抗。實際上Rft是T型網(wǎng)絡中最大的阻抗，有Rft>>R1，那么Rfeq≈（1+R1/R2）Rft。這樣，T型網(wǎng)絡就有效地放大了Rft，放大系數(shù)為R1與R2的分壓比的倒數(shù)或1+R1/R2。T型網(wǎng)絡的等效反饋阻抗產(chǎn)生了一個輸出信號e0≈ Ip（1+R1/R2）Rft ，就好像用于反饋的是一個很大的電阻而不是T型網(wǎng)絡。對給定的電流-電壓增益，這種乘法關系減少了對于Tft阻值的要求，減少因子同樣是1+R1/R2。

2 噪聲

圖1是光電二極管的簡單結(jié)構圖，在這個圖中，光電二極管處于零偏壓，并對運算放大器的輸入端呈現(xiàn)高阻抗。這使得運算放大器由單位反饋系數(shù)產(chǎn)生了一個簡單的電阻反饋。這樣電路通常會產(chǎn)生單位噪聲增益，并且將運算放大器的輸入噪聲電壓直接傳輸?shù)诫娐返妮敵觥?/p>

圖3是對圖1所示的基本光電二極管放大器進行噪聲分析的模型。在該模型中，電流源，Rd，Cd代表光電二極管。噪聲源ini，eni代表放大器輸入端的相關特性。最后噪聲源enR表示反饋電阻的噪聲電壓。有反饋電阻直接貢獻噪聲的噪聲譜密度是en0R2=4KTRf。

式中， K為波爾茲曼常數(shù)，值為1.38x10-23 J/K； T為絕對溫度（K）；R為電阻阻值。

從圖中可以得到[1]：

eno2 = enoR2+enoi2+enoe2

Eno2 = EnoR2+Enoi2+Enoe2

式中， enoR為噪聲譜密度；enoi2=Rf2*2qIB- Eno，為輸出噪聲電壓。其中的 各電壓采用RMS均方根值表示。

計算電流噪聲：放大器或光電二極管的偏置電流會產(chǎn)生散粒噪聲，散粒噪聲譜密度為：

i2no =2qI

而散粒噪聲電流計算為

I2no=2qIΔf

由電流噪聲產(chǎn)生的噪聲輸出為

E2noi=2qIΔfRf2

噪聲電流通過反饋電阻產(chǎn)生噪聲電壓，直接作用于輸出端，放大器對其無增益，電流噪聲與偏置電流的平方根成正比，與反饋電阻成正比。

3 降噪

圖4在基本光電二極管放大電路的后面再加一個運放來控制噪聲帶寬，可以使噪聲和信號帶寬相等。圖中這兩個運放串聯(lián)，需要反饋電阻Rf返回到U1的同相輸入端，而不是反相輸入端。這樣就避免了在同一個反饋回路中，出現(xiàn)兩個放大器相位倒置，同時也保留了負反饋。

隨著頻率的變化，U2從放大器變?yōu)榉e分器，然后變?yōu)樗p器。在低頻率段，C1阻礙了U2的本地反饋，這個放大器為復合反饋提供了完整的開環(huán)增益。增加的增益降低了低頻誤差。在中間頻率段，有R1和C1組成的積分器在向衰減模式過渡中降低了U2的增益支持，該增益是在轉(zhuǎn)變?yōu)樗p模式中獲得的。在高頻區(qū)域，C1變成短路，A2的增益控制變成R1，R2的閉環(huán)效應。UCL2=-R1/R2，在R2

如圖5所示， 曲線1、2分別是未采用復合放大器和采用了復合放大器方案的噪聲仿真圖，對比曲線1和2可以看出采用復合放大器方案能將噪聲增益降低，同時還能保持信號的帶寬不改變；驗證了復合放大器降噪電路的效果。

4 結(jié)論

通過以上的分析我們可以知道，基本光電二極管放大電路有很多的缺點。首先為了解決在高增益情況時潛在的顯著的偏移，所以在電路中加入了T型電阻網(wǎng)絡來代替原來的反饋電阻，這樣就可以控制殘余的偏移量。在光電二極管放大器中，電流-電壓轉(zhuǎn)換器顯示出了很多較復雜的噪聲電流和噪聲電壓。因此在電路中又加入了一個放大器與已有放大器串聯(lián)來組成了噪聲濾波復合放大器。通過分析我們可以看到，在增加了一個運算放大器后，復合放大器取代了單個放大器放大電路的外部相位補償功能。而且復合放大器提高了低頻開環(huán)增益的強度，增加了響應的準確性。且復合放大器降噪降低了放大器帶寬，移除了只對噪聲有用而對信號無用的帶寬部分，以此來達到降噪的目的。

參考文獻：

[1]張正茂，陳鋒.光電探測放大器的噪聲分析[J].

[2]Jerald Graeme著[美]，賴康生，許祖茂，王曉旭譯.光電二極管及其放大電路設計[J].科學出版社.

基金項目：上海市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動計劃項目A1-5701-14-006-08-26