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【精品】光电二极管检测电路的组成及工作原理

光电二极管及其相关的前置放大器是根本物理量和电子量之间的桥梁。很多周密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简洁的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出的限制。

本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后假设读者有时机的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开头。第三步也是最重要的一步(本文未作争论)是制作试验模拟板。

光检测电路的根本组成和工作原理

设计一个周密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入

放大器的输入端和反响环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。

在该电路中,光电二极管工作于光致电压

(零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之

图1单电源光电二极管产生的电流I从负极流至正极,如图中所示。SC检测电路由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非

常高,二极管产生的电流将流过反响电阻R。F

输出电压会随着电阻R两端的压降而变化。F图中的放大系统将电流转换为电压,即

V=I×R(1)OUTSCF

式(1)中,V是运算放大器输出端的电压,单位为V;I是光电二极管产生的电流,单位OUTSC

为A;R是放大器电路中的反响电阻,单位为W。图1中的C是电阻R的寄生电容和电FRFF路板的分布电容,且具有一个单极点为1/(2pRC)。FRF

用SPICE可在肯定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反响元件R。用这个模拟程序,鼓励信号源为I,输出端电压为V。FSCOUT

此例中,R的缺省值为1MW,C为0.5pF。抱负的光电二极管模型包括一个二极管和理FRF

想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2pRC),即318.3kHz。转变RFRFF可在信号频响范围内转变极点。

圆满的是,假设不考虑稳定性和噪声等问题,这种简洁的方案通常是注定要失败的。例如,系统的阶跃响应会产生一个其数量难以承受的振铃输出,更坏的状况是电路可能会产生振荡。假设解决了系统不稳定的问题,输出响应可能仍旧会有足够大的“噪声”而得不到牢靠的结果。

实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个牢靠的电路方案开头。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择适宜的电阻。其次是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声,依据每种应用的要求将之调整到适当的水平。

这种电路中有三个设计变量需要考虑分析,它们是:光电二极管、放大器和R//C反响网络。首先选择光电二极管,虽然它具有良好的光响应特性,但二极管的寄生电

容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外,光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化,会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差,运放应当具有一个较小的输入偏置电流(例如CMOS工艺)。此外,输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最终,R//C反响网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。

光检测电路的SPICE模型

光电二极管的SPICE模型一个光电二极管有两种工作方

式:光致电压和光致电导,它们各有优缺点。在这两种方式中,光照耀到二极管上产生的电流I方向与通常SC

的正偏二极管正常工作时的方向相图2非抱负的光电二极管模型反,即从负极到正极。

光电二极管的工作模型示于图2中,它由一个被辐射光激发的电流

源、抱负的二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成。

当光照耀到光电二极管上时,电流便产生了,不同二极管在不同环境中产生的电流I、具SC有的C、R值以及图中放大器输出电压为0~5V所需的电阻R值均不同,例如SD-020-PDPDF

12-001硅光电二极管,在正常直射阳光(1000fc[英尺-烛光])时,I=30mA、C=50pF、RSCPD=1000MW、R=167kW;睛朗白天(100fc)时,I=3mA、C=50pF、R=1000PDFSCPDPDM