光电二极管（光电二极管电路设计）

　　光电二极管（光电二极管电路设计）一、光电效应
　　光照射在半导体材料上，释放电子空穴对，产生电流。PN结外加反向偏置电压，可以扩大耗尽区，使更多的半导体材料成为载流子加速区。但是会增加暗电流的存在。光电流为：
　　r是通量响应率，e是辐射通量的功率。
　　1。1光导模式
　　处于光导模式时，有一个外加的偏压。电路中测得的电流代表器件接受到的光照；测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。在这些条件下工作容易产生较大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。
　　1。2光伏模式
　　光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动受到限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应。当在光伏模式工作时，暗电流最小。
　　二、等效电路
　　图1等效电路
　　电流源ip代表光电二极管信号，二极管则再现了正向偏置状态的电压条件。RD代表二极管的暗电阻，即零偏置时的结电阻。对于大多数应用来说，暗电阻的阻值很大，流过的电流很小，可以忽略。寄生电容CD却会对大多数的光电二极管应用产生深远的影响。电容引起的稳定性、带宽和噪声优化等都会在后面进行讨论。
　　图2等效简化电路
　　由于暗电阻影响很小，该简化模拟电路忽略了暗电阻。由于通常的特性曲线测量属于低频区域，因此电容CD也被忽略了。利用该模型，我们可以得到特性曲线。
　　图3特性曲线
　　在光伏模式下，也就是偏置电压为零的情况下的模式。接入负载后部分光电流流过二极管会生产一个电压ed。流过二极管的电流由二极管的电流方程得：
　　流过负载的电流由图1得：
　　ID是二极管的反向饱和电流，也可以叫光电二极管的暗电流。Vt是半导体的热电压，VtKTq。K：玻尔兹曼常数1。381023JK，T：热力学温度，q：电子电量
　　iL是非线性，要想减小这个非线性的比重，只能让为减小，那么只能让RLRS变小，则RL为0；所以在输出短路的情况下线性度是最好的。
　　三、带宽与稳定性
　　3。1预备知识
　　在讲带宽和稳定性之前，为让大家跟上小陈的思路，我们先来了解或者回顾一下传递函数、波特图、反馈等概念。
　　3。1。1传递函数
　　线性定常系统在零初始状态条件下，系统输出量的拉氏变换与系统输入拉氏变换之比就是传递函数。
　　零极点表示为：
　　P1：极点
　　z1：零点
　　3。1。2波特图
　　幅度曲线的频率响应是电压增益改变与频率改变的关系。这种关系可用波特图上一条以分贝（dB）来表示的电压增益比频率（Hz）曲线来描述。
　　图4波特图
　　其中：
　　（1）decade（十倍频程）频率按x10增加或按x110减小，
　　从10Hz到100Hz为一个decade（十倍频程）；
　　（2）octave（倍频程）频率按x2增加或按x12减小，从10Hz到20Hz为一个octave（倍频程）；
　　（3）20dBdecade6dBoctave；
　　3。1。3示例
　　图5RC低通滤波器
　　（1）复阻抗法求得传递函数为：
　　由传递函数可知该电路有一个单极点：
　　即
　　（2）幅频特性
　　由于Sj，所以根据复数模的计算得：
　　当10。1RC时，20lg（A）0dB；
　　当21RC时，20lg（A）3dB；
　　当310RC时，20lg（A）20dB；
　　通过上面的分析计算，可得到在1到2发生的是3dBdecade的变化，而在2到3发生的是20dBdecade的变化，也就是说在2幅度发生了滚降，这一点我们就课本上截止频率点。由第一步可知，极点也是发生在这个点上。
　　（2）相频特性
　　根据复数求解相位可得：
　　当10。1RC时，相位为0；
　　当21RC时，相位为45；
　　当3时，相位为90；
　　通过上面的分析计算，极点在频率上具有45的相移。相位在极点的两边以45decade的斜率变化为0和90。
　　根据（2），（3）得到波特图为：
　　图6RC低通滤波器的波特图
　　3。1。4反馈
　　在放大电路中，将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式馈送回输入端，与输入信号叠加后送人放大器，称为反馈。
　　图7放大器增益模型
　　基本参数公式：
　　（1）开环放大倍数：
　　（2）反馈系数：
　　（3）净输入量：
　　（4）闭环放大倍数：
　　3。1。5电路稳定标准
　　要判断电路是否稳定，首先要知道电路不稳定，发生振荡的条件，根据课本上的内容，我们知道振荡的条件是：
　　（1）幅度平衡条件
　　Aol1，其中Aolgt；1是其振条件，Aol1是维持条件。
　　（2）相位平衡条件
　　2n，即正反馈。
　　则稳定的标准是：
　　在Aol1（0dB）时的fcl频率上，相移lt；180，
　　所需相位余量（离180相移的距离）45。
　　在运放电路中我们要分析相位和频率就比较麻烦，我们只对稳定性分析的话，可以在Aol曲线（数据手册上有）上绘出1的曲线，就有一种称为闭合速度的简单一阶稳定性检查法。这种闭合速度稳定性检查，定义为1曲线与Aol曲线在fcl上（此时环路增益为0dB）的闭合速度。40dbdecade的闭合速度意味着不稳定。
　　3。2带宽与稳定性
　　图8光电二极管基本放大电路模型（TIA）
　　由图8可知，CINCjCDCCM。
　　那么1的传递函数为：
　　（1）没有反馈电容CF的传递函数
　　（2）有反馈电容CF的传递函数
　　没有反馈电容，电路存在一个零点fz12RFCIN，当CIN足够大时，波特图如下：
　　图9无反馈电容的波特图
　　从波特图看到，闭合速率为40dBdecade电路是不稳定的。
　　有反馈电容，电路存在一个零点
　　存在一个极点
　　只要保证fpf0（零点的交点频率点），就可以实现相位补偿让电路闭合速率为20dBdecade，保证电路稳定。如下图：
　　图10有反馈电容的波特图
　　要想知道f0的大小整个电路的传递函数推导出来才能知道，这里就借鉴了德州仪器（TI）的公式
　　由上面叙述可知fpf0，因此
　　（来源于ADI）。由因为fpfs（信号频率），所以
　　这两个公式是给工程师前期设计时确定参数用的，调试电路需要细调，因为PCB布局布线不一样会导致出现不同的分布电容。
　　在fc处的增益峰值为1CINCF，则闭环带宽为：
　　要想电路稳定就要使fcfp。那么
　　即
　　四、噪声分析
　　4。1在分析电路的噪声前我们应该知道运放电路存在的噪声，运放电路中存在电压噪声，电流噪声以及电阻的热噪声。
　　（1）电压噪声
　　包含宽带电压噪声和1f电压噪声。
　　宽带电压噪声：
　　BWn：噪声带宽fcKn，fcGBPG（增益），GBP规格书里面会写。
　　电路阶数
　　Kn
　　1hr1。57
　　2hr1。22
　　3hr1。16
　　4hr1。13
　　5hr1。12
　　eBB：从规格书里面的电压噪声密度曲线读取出来。
　　1f（0。110Hz）电压噪声：
　　efnorm：对1Hz的归一化1f电压噪声；
　　eatf：从规格书里面的电压噪声密度曲线读取出来；
　　f：1Hz；
　　fL：0。1Hz。
　　总的电压噪声为：
　　（2）电流噪声
　　IBB：规格书会给出来。
　　（3）电阻的热噪声
　　K：玻尔兹曼常数1。381023JK；
　　T：开尔文温度（273K）
　　Req：等效电阻。
　　（4）总体输入噪声（RTIRMS）
　　（5）输出噪声（RTORMS）
　　（6）估算RTO的峰峰值噪声
　　根据正态分布函数得：
　　4。2图8的噪声分析
　　现在的运放的电流噪声密度是很小的，我们基本上可以进行忽略。
　　图11噪声主导区域
　　由上图可知，光电二极管放大电路的反馈电阻一般是100K左右的，所以主导区域的是电阻区间。那么电路的信噪比为：
　　所以只要保证在噪声在电阻主导区域内，增大Rf可以提升电路的信噪比。
　　4。3外部噪声
　　外部噪声的话，主要表现在静电耦合，静电耦合是共模信号，想消除共模信号，就要让运放进行差分运用。如下图：
　　图12差分输入电路
　　当R1R2时可以消除偏置电流。因为运放内部是对称的，所以运放输入的偏置电流IBIB，因此：
　　五、总结
　　经过上面的分析，最终得到下面的电路：
　　图13最终设计电路
　　C1，C2，R1，R2是给EMC预留位置，需要注意的是C1，C2不能取太大。R1，R2阻值尽量为0。Cc是为了滤除Rc的热噪声。Vref为了给运放足够的动态范围，因为运放就算是轨至轨的，也不能保证完全能输出到轨上，加入Vref就是为了让运放远离负轨，减小误差。
　　从上面分析，大家应该对分析运放相关的电路有了一定的了解，不同的电路分析方法都是大同小异的。虽然说，我们不能用数学将电路所有特点表现出来，但是关键的地方还是很容易推导和分析的，有了数学表达式后，我们就能很清晰的看到电路的一些特点，来帮助我们提升电路的性能和可靠性。