光電二極管放大電路設(shè)計(jì)的思考

張彬冰

摘 要：光電二極管是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子元件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境光量變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；镜姆糯箅娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在應(yīng)用中容易受到干擾，限制較多。使用T型電阻網(wǎng)絡(luò)替換原基本光電二極管放大電路的I-U轉(zhuǎn)換電阻用以控制高增益工況時(shí)可能存在的殘余偏移量；為了降低噪聲在基本放大電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)噪聲濾波復(fù)合放大電路，進(jìn)而達(dá)到降噪和控制直流偏置的目的。

關(guān)鍵詞：光電二極管；放大電路；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.20.097

光電二極管的電壓輸出可達(dá)0.2～0.4V，能基本滿(mǎn)足電路需求，但這種輸出往往是非線(xiàn)性的，且輸出帶寬有限。而光電二極管的電流輸出一般在幾十到幾百μA之間，爾后對(duì)電流再進(jìn)行I-U轉(zhuǎn)換，予以應(yīng)用，可提高光電轉(zhuǎn)化功效，改善輸出特性。如此，須隔離光電二極管和它的電壓信號(hào)輸出。一般把帶有放大器和I-U轉(zhuǎn)換的電路成為基本的光電二極管（如圖1所示）。

1 偏置

在光電二極管的設(shè)計(jì)使用中，光電二極管的漏電流和放大電路的輸出電流會(huì)經(jīng)過(guò)Rf反饋電阻，結(jié)果是放大電路輸出端出現(xiàn)明顯的直流偏置。

為減少直流偏置誤差，使用T型電阻網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示）來(lái)代替圖1中的反饋電阻Rf。這個(gè)T電阻型網(wǎng)絡(luò)中，Rft>>R1，R1>>R2，可產(chǎn)生與圖1中Rf相同的反饋?zhàn)杩?，但其阻抗值卻遠(yuǎn)小于Rf。

電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，首要的考慮因素就是電路的信號(hào)輸入條件，反饋電路在放大電路的反相輸入端接入了輸出電流——Ip，這時(shí)Rft上就形成了電壓Uft（Uft=IpRft），就是基礎(chǔ)的I-U轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓。分壓器R1—R2能夠增大整個(gè)電路的輸出電壓e0。

2 噪聲

圖1所示的是基本的光電二極管放大電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中光電二極管為零偏壓，對(duì)運(yùn)算放大電路而言為高阻抗，使得放大電路因單位反饋系數(shù)的減少而形成了類(lèi)似簡(jiǎn)單電路的電阻反饋，這就會(huì)增大整個(gè)電路的噪聲增益，并使得這種噪聲增益電壓反映到了輸出端。

噪聲電流在反饋電阻上產(chǎn)生電壓直接作用在電路的輸出端，放大電路對(duì)它沒(méi)有放大作用，電流噪聲的平方與偏置電流成正比關(guān)系而與反饋電阻阻值的平方成反比。

3 降噪

圖4所示的電路在基本光電二極管放大電路后增加了一個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)控制噪聲的帶寬，可控制噪聲帶寬使其與信號(hào)帶寬相同。該方案串聯(lián)使用兩個(gè)放大電路，且通過(guò)Rf返送到運(yùn)算放大器U1的同相輸出端，在保留負(fù)反饋的同時(shí)避免了兩個(gè)放大電路在同一回路中的相位倒置問(wèn)題。

在不斷變化的工作頻率中，放大電路U2起到積分電路的作用，隨著頻率的變化，開(kāi)始放大電路U2起到積分電路的作用爾后開(kāi)始起到衰減電路的作用。當(dāng)電路在低頻段工作，U2為復(fù)合反饋提供開(kāi)環(huán)增益，而C1則主要是阻礙U2的本地反饋，二者的共同作用提高了電路低頻工作時(shí)的準(zhǔn)確性。在中頻工作階段，R1和C1構(gòu)成的積分電路有效減小了U2的增益。當(dāng)電路在高頻段工作時(shí)，C1被短路，R1和R2形成的閉環(huán)效應(yīng)負(fù)責(zé)控制U2的增益。其中：

UCL2=-R1/R2

當(dāng)R2

輸出噪聲電壓仿真結(jié)果如5所示，其中：

曲線(xiàn)1為未采用復(fù)合放大電路的噪聲仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)；

曲線(xiàn)2為使用復(fù)合放大電路的噪聲仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)。

從曲線(xiàn)1、2的對(duì)比上不難看出，使用復(fù)合放大電路能有效降低噪聲的增益，同時(shí)能維持原信號(hào)帶寬不變。

4 結(jié)論

綜上分析可知，基本光電二極管放大電路問(wèn)題較多。本文為降低高增益時(shí)的潛在偏移問(wèn)題，在電路中使用T型電阻網(wǎng)絡(luò)替換原反饋電阻，有效控制了殘余偏移量。在基本光電二極管放大電路中，I-U轉(zhuǎn)化電路噪聲電流、電壓較為復(fù)雜，本文加入新的放大電路與原放大電路進(jìn)行串聯(lián)，組成復(fù)合放大電路，在提供有效相位補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，提高了電路的低頻增益，提高了響應(yīng)的準(zhǔn)確性，降低了只對(duì)噪聲起作用的部分帶寬，進(jìn)一步降低了噪聲。

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