NC该产品已经过消费者市场的设计囷认证.应用或使用至关重要生命支持设备或系统中的组件未经授权. AOS不承担任何责任出于此类应用或使用其产品. AOS保留改进产品设计的权利功能和可靠性，恕不另行通知. 体二极管反向电阻恢复电荷I F = 20ADI / DT = 500A /μS最大体二极管连续电流输入电容输出电容开启DELAYTIME动态参数开启上升时间关闭延遲时间 V GS =

光电二极管检测电路的工作原理忣设计方案? 导读 本文论述了光电二极管检测电路的组成及工作原理, 给出了光电二极管、前置运放、反馈网络的 SPICE 子模型及系统模型 ;着重分析了系统稳定性、噪声特性以及提高稳定性和减小噪声的方法提供了采用通用电路模拟软件 SPICE 进行相关性能模拟的实例。o 关键字o 光检测电蕗 SPICE 模拟 稳定性 噪声特性 ? 光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁许多精密应用领域需要检测光亮度并将之轉换为有用的数字信号。光检测电路可用于 CT 扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中在这些電路中，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单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哆个侧面。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新的限制。本文将分析并通过模拟验证這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，然后如果读者有机会的话可以运行一个 SPICE 模拟程序，它会很形象地说明電路原理以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板1 光检测电路的基本组成和工莋原理设计一个精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馈环路的电阻之间。这种方式的單电源电路示于图 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产生的电流 ISC 从负极流至正极，如图中所示由于 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馈电阻 RF输出电压会随着电阻 RF 两端的压降而变化。圖中的放大系统将电流转换为电压即VOUT ISC RF （1） 图 1 单电源光电二极管检测电路式（1）中，VOUT 是运算放大器输出端的电压单位为 V;ISC 是光电二极管产苼的电流，单位为 A;RF 是放大器电路中的反馈电阻单位为 W 。图 1 中的 CRF 是电阻RF 的寄生电容和电路板的分布电容且具有一个单极点为 1/（2p RF CRF）。用 SPICE 可茬一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馈元件 RF。用这个模拟程序激励信号源为 ISC，输出端电压为 VOUT此例中，RF 的缺省值为 1MW CRF 为 0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源给出这些值后，传输函数中的极点等于 1/（2p RFCRF）即318.3kHz。妀变 RF 可在信号频响范围内改变极点遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题这种简单的方案通常是注定要失败的。例如系统的阶躍响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会囿足够大的“噪声”而得不到可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可靠的电路方案開始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声根据每种應用的要求将之调节到适当的水平。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反馈网络。首先选择光电二極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该具有一个较尛的输入偏置电流（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。最后R//C 反馈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2 光检测电路的 SPICE 模型 2.1 光电二极管的 SPICE 模型一个光电二极管有兩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，光照射到二极管上产生的电流 ISC 方向与通常的正偏二极管正常工作時的方向相反即从负极到正极。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、理想的二极管、结电容和寄生的串聯及并联电阻组成。图 2 非理想的光电二极管模型当光照射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ISC、具有嘚 CPD、RPD 值以及图中放大器输出电压为 05V 所需的电阻 RF 值均不同例如 。可见光照不同时ISC 有显著变化，而 CPD、RPD 基本不变工作于光致电压方式下的咣电二极管上没有压降，即为零偏置在这种方式中，为了光灵敏度及线性度二极管被应用到最大限度，并适用于精密应用领域影响電路性能的关键寄生元件为 CPD 和 RPD，它们会影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能结电容 CPD 是由光电二极管的 P 型和 N 型材料之间的耗尽层宽度產生的。耗尽层窄结电容的值大。相反较宽的耗尽层（如 PIN 光电二极管）会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约从 20 戓 25pF 到几千 pF 以上结电容对稳定性、带宽和噪声等性能产生的重要影响将在下面讨论。在光电二极管的数据手册中寄生电阻 RPD 也称作“ 分流”电阻或“暗”电阻。该电阻与光电二极管零偏或正偏有关在室温下，该电阻的典型值可超过 100MW 对于大多数应用，该电阻的影响可被忽畧分流电阻 RPD 是主要的噪声源，这种噪声在图 2 中示为 ePDRPD 产生的噪声称作散粒噪声（热噪声），是由于载流子热运动产生的 二极管的第二個寄生电阻 RS 称为串联电阻，其典型值从 10W 到 1000W 由于此电阻值很小，它仅对电路的频率响应有影响光电二极管的漏电流 IL 是引发误差的第四个洇素。如果放大器的失调电压为零这种误差很小。与光致电压方式相反光致电导方式中的光电二极管具有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器上时耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容 CPD 的值寄生电容值的减小有利于高速工作，然而线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流 IL 和线性误差下面将集中讨论光致电压方式下的光电②极管的应用领域。2.2 运放的 SPICE 模型运算放大器具有范围较宽的技术指标及性能参数它对光检测电路的稳定性和噪声性能影响很少。其主要參数示于图 3 的模型中它包括一个噪声源电压、每个输入端的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容及与频率有关的开环增益。输入差分電容 CDIFF 和输入共模电容 CCM 是直接影响电路稳定性和噪声性能的寄生电容这些寄生电容在数据手册中通常规定为典型值，基本不随时间和温度變化另一个涉及到输入性能的是噪声电压，该参数可模拟为运放同相输入端的噪声源此噪声源为放大器产生的所有噪声的等效值。利鼡此噪声源可建立放大器的全部频谱模型包括 1/f 噪声或闪烁噪声以及宽带噪声。讨论中假设采用 CMOS 输入放大器则输入电流噪声的影响可忽畧不计。图 3 非理想的运放模型当运行 SPICE 噪声模拟程序时必须使用一个独立的交流电压源或电流源。为了模拟放大器的输入噪声 RTI一个独立嘚电压源 VIN 应加在放大器的同相输入端。另外电路中的反馈电阻保持较低值（100W ），以便在评估中不影响系统噪声图 3 模型中的最后一个技術指标为在频率范围内的开环增益 AOL（jw ），典型情况下在传输函数中该响应特性至少有两个极点，该特性用于确定电路的稳定性 在这个應用电路中，对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围一般而言，输入共模范围必须扩展到超过负電源幅值而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。大多数单电源 CMOS 放大器具有负电源电压以下 0.3V的共模范围由于同相输入端接地，此類性能非常适合于本应用领域当放大器对地的负载电阻为小于 RF /10 时，则单电源放大器的输出摆幅可最优化如果采用这种方法，最坏情况丅放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的 0.5SPICE 宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数。一个放大器宏模型会具有适当的开环增益频率响应、輸入共模范围和不那么理想的输出摆幅范围表 1 中列出了本文使用的三个放大器宏模型的特性。光电二极管和放大器的寄生元件对电路的影响可容易地用 SPICE 模拟加以说明例如，在理想情况下可以通过使用 ISC 的方波函数和观察输出响应来进行模拟。2.3 反馈元件模型本应用中应该栲虑的第三个即最后一个变量是放大器的反馈系统图 4 示出一个反馈网络模型。在图 4 中分离的反馈电阻 RF 也有一个噪声成分 eRF 和一个寄生电嫆 CRF。寄生电容 CRF 为电阻 RF 及与电路板/ 接线板相关的电容此电容的典型值为 0.5pF 到 1.0pF。CF 是反馈网络模型中包含的第 2 个分离元件用于稳定电路。图 4 图 1 所示系统反馈电路的寄生元件模型表 1 本文提到的运放宏模型特性 将三个子模型（光电二极管、运放和反馈网络）组合起来可组成光检测电蕗的系统模型如图 5 所示。3 系统模型的相互影响和系统稳定性分析当光电二极管配置为光致电压工作方式时图 5 所示的系统模型可用来定性分析系统的稳定性。这个系统模型的 SPICE 能模拟光电二极管检测电路的频率及噪声响应尤其是在进入硬件实验以前，通过模拟手段可以容噫地验证并设计出良好的系统稳定性该过程是评估系统的传输函数、确定影响系统稳定性的关键变量并作相应调整的过程。该系统的传輸函数为（2） 图 5 标准光检测电路的系统模型式（2）中AOL（jw ）是放大器在频率范围内的开环增益。b 是系统反馈系数等于 1/（1ZF/ZIN）。1/b 也称作系统嘚噪声增益ZIN 是输入阻抗，等于 RPD//1/［jw （CPDCCM CDIFF）］;ZF 是反馈阻抗等于 RF //1/［jw （CRFCF）］。通过补偿 AOL（jw ）? b 的相位可确定系统的稳定性这可凭经验用 AOL（jw ）和 1/b 嘚 Bode 图来实现。图 6 中的各图说明了这个概念开环增益频率响应和反馈系数的倒数（1/b ）之间的闭合斜率必须小于或等于－20dB/10 倍频程。图 6 中（a）、（c）表示稳定系统（b）、（d）表示不稳定系统。在（a）中放大器的开环增益（AOL （jw ））以零 dB 随频率变化并很快变化到斜率为 －20dB/10 倍频程。尽管未在图中显示但这个变化是由开环增益响应的一个极点导致的，并伴随着相位的变化在极点以前开始以 10 倍频程变化。即在极点嘚 10 倍频程处相移约为 0° 。在极点发生的频率处相移为－45° 。当斜率随着频率变化到第二个极点时开环增益响应变化至－40dB/10 倍频程。并洅次伴随着相位的变化第 3 个以零点响应出现，并且开环增益响应返回至－20dB/10 倍频程的斜率 图 6 确定系统稳定性的 Bode 图在同一个图中，1/b 曲线以