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)

之一，光电效应

光照射半导体材料，释放电子空空穴对，产生电流。

在PN结上施加反向偏置电压，可以扩大耗尽区，使更多的半导体材料成为载流子加速区。

而是会增加暗电流的存在。

光电流为:

r是通量响应率，φ e是辐射通量的幂。

1.1光导模式

在光电导模式下，有一个施加的偏置电压。

在电路中测量的电流代表由设备接收的照明；测得的输出电流与输入光功率成正比。

外加偏压使耗尽区宽度增加，响应度增加，结电容减小，响应度趋于直线。

在这些条件下，很容易产生较大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料来限制其尺寸。

1.2光伏模式

在光伏模式下，光电二极管零偏置。

器件的电流被限制以形成电压。

这种操作模式利用了光伏效应。

在光伏模式下工作时，暗电流最小。

二、等效电路

图1等效电路

电流ip代表光电二极管信号，二极管再现正向偏置状态的电压条件。

RD表示二极管的暗电阻，即零偏置时的结电阻。

对于大多数应用，暗电阻的阻值很大，流过的电流很小，可以忽略不计。

寄生电容CD将对大多数光电二极管应用产生深远影响。

由电容引起的稳定性、带宽和噪声优化将在后面讨论。

图2等效简化电路

由于暗电阻的影响很小，简化的模拟电路忽略了暗电阻。

因为通常的特性曲线测量属于低频区，电容CD也忽略不计。

利用这个模型，我们可以得到特性曲线。

图3特性曲线

在光伏模式下，即偏压为零的模式下。

负载接通后，部分光电流流过二极管产生电压ed。

流经二极管的电流由二极管的电流方程获得:

流经负载的电流从图1中获得:

ID是二极管的反向饱和电流，也可以称为光电二极管的暗电流。

Vt是半导体的热电压，vt = kt/q. K:玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K，T:热力学温度，Q:电子电荷

IL是非线性的，如果你想降低这种非线性的比例，只能让它变小，那么你只能让RL+RS变小，那么RL为0；因此，当输出短路时，线性度更佳。

第三，带宽和稳定性

3.1初步知识

在讲带宽和稳定性之前，为了跟上陈骁的思路，我们先来了解或回顾一下传递函数、波特图、反馈等概念。

传递函数

在线性时不变系统初始状态为零的情况下，系统输出拉普拉斯变换与系统输入拉普拉斯变换之比就是传递函数。

零极点表示为:

P1:波兰

ωz1:零点

波特图

振幅的频率响应是电压增益变化和频率变化之间的关系。

这种关系可以通过波特图上以分贝(dB)表示的电压增益比频率(Hz)曲线来描述。

图4波特图

其中包括:

(1)减速(Deceleration)-频率增加x10或减少x1/10，

10Hz到100 Hz是十年；

(2)倍频程(octave)——频率增加x2或减少x1/2，从10Hz到20 Hz为一个倍频程；

(3)20dB/十倍频程= 6dB/八度；

3.1.3示例

图5 RC低通滤波器

(1)通过复阻抗方法获得的传递函数为:

根据传递函数，电路有一个单极:

也就是

(2)振幅频率特性

当S=ωj时，根据复模量的计算:

ω=ω1=0.1/RC时20LG(aω)= 0dB；

当ω=ω2=1/RC时，20LG(Aω)=-3dB；

ω=ω3=10/RC时20LG(aω)=-20dB；

通过上面的分析计算，可以得出-3dB/十倍频程的变化发生在ω1到ω2，而-20dB/十倍频程的变化发生在ω2到ω3，也就是说ω2的幅度滚降，也就是教材上的截止频率点。

从之一步可以看出，极点也发生在这一点。

(2)相频特性

根据复溶液相可以得到:

当ω=ω1=0.1/RC时，相位为0；

当ω=ω2=1/RC时，相位为-45°；

当ω=ω3=∞时，相位为-90°；

通过以上分析计算，极点在频率上有-45°的相移。

相位极点两侧的-45°/十进制斜率变为0°和-90°。

根据(2)和(3)，波特图如下:

图6 RC低通滤波器的波特图

3.1.4反馈

在放大电路中，输出的一部分或全部通过一定的电路形式反馈到输入端，然后与输入信号叠加后送到放大器，这就是所谓的反馈。

图7放大器增益模型

基本参数公式:

(1)开环放大:

(2)反馈系数:

(3)净投入:

(4)闭环放大:

电路稳定性标准

判断电路是否稳定，首先要知道电路不稳定和振荡的条件。

根据教科书，我们知道振荡的条件是:

(1)振幅平衡的条件

βAol≥1，其中βAol>1为振荡条件，βAol=1为维持条件。

(2)相平衡条件

φ=2nπ，即正反馈。

稳定性的标准是:

在fcl频率下，当Aolβ= 1 (0dB)时，相移为:

所需的相位裕度(与+/-180°相移的距离)≥ 45。

在运算放大器电路中，相位和频率的分析对我们来说是比较麻烦的。

如果只分析稳定性，可以在Aol曲线上画一条1/β曲线(数据手册中有)，有一种简单的一阶稳定性校核方法叫做“关闭速度”。

这个关闭速度稳定性检查定义为fcl上1/β曲线和Aol曲线的“关闭速度”(此时环路增益为0dB)。

40db/十进制的关闭速度意味着不稳定。

3.2带宽和稳定性

图8光电二极管(TIA)基本放大器电路模型

根据图8，CIN=Cj+CD+CCM。

则1/β的传递函数为:

(1)无反馈电容的传递函数CF

(2)带反馈电容CF的传递函数

没有反馈电容时，电路中存在零fz=1/2πRF CIN。

当CIN足够大时，波特图如下:

图9无反馈电容时的波特图

从波特图可以看出，闭合率为-40dB/十进制的电路是不稳定的。

有反馈电容，电路有零点。

有一根杆子。

只要保证fp≤f0(零点的相交频率点)，就可以实现相位补偿，电路的闭合率可以是-20dB/ decade，从而保证电路的稳定性。

如下图:

图10带反馈电容的波特图

想知道f0的大小，只有推导出整个电路的传递函数才能知道。

这里借鉴德州仪器的公式。

从上面的描述可以看出，fp≤f0，所以

(来自ADI)。

因为fp≥fs(信号频率)，所以

这两个公式是工程师在早期设计时用来确定参数的，调试电路需要微调，因为不同的PCB布局会导致不同的分布电容。

如果fc处的峰值增益为1+CIN/CF，则闭环带宽为:

电路要稳定，要求fc≥fp。

因此

也就是

四。

噪声分析

4.1在分析电路的噪声之前，我们要知道运算放大器电路的噪声，包括电压噪声、电流噪声和电阻的热噪声。

(1)电压噪声

包括宽带电压噪声和1/f电压噪声。

宽带电压噪声:

BWn:噪声带宽fcKn，fc=GBP/G(增益)，会用GBP规范来写。

电路顺序

（=knot）海里

一个

1.57

2

1.22

三

1.16

四

1.13

五

1.12

Eb:从规范中的电压噪声密度曲线读取。

1/f(0.1~10Hz)电压噪声:

Efnorm:归一化1/f电压噪声至1Hz

Eat_f:从规范中的电压噪声密度曲线读取；

f:1Hz；

飞行高度:0.1赫兹.

的总电压噪声为:

(2)电流噪声

Ib:会给出规格的。

(3)电阻的热噪声

k:玻尔兹曼常数1.38 * 10-23J/k；

t:开尔文温度(273K+℃)

Req:等效电阻。

(4)总输入噪声(RTI RMS)

(5)输出噪声(RTO RMS)

(6)估算RTO的峰峰值噪声

根据正态分布函数:

4.2图8的噪声分析

电流运算放大器的电流噪声密度很小，我们基本可以忽略不计。

图11噪声主导区域

从上图可以看出，光电二极管放大电路的反馈电阻一般在100K左右，所以电阻区间是占优势的区域。

则电路的信噪比为:

因此，只要噪声在电阻主导的区域，提高Rf就可以提高电路的信噪比。

4.3外部噪音

外部噪声主要表现为静电耦合，属于共模信号。

如果你想消除共模信号，你应该让运算放大器差分使用。

如下图:

图12差分输入电路

当R1=R2时，偏置电流可以消除。

因为运算放大器的内部是对称的，所以运算放大器输入端的偏置电流IB-=IB+，因此:

动词 （verb的缩写）摘要

经过以上分析，最终得到以下电路:

图13最终设计电路

C1、C2、R1和R2是EMC的保留地。

应该指出，C1和C2不能太大。

R1和R2的电阻值应尽可能为0 ω。

Cc用于滤除Rc的热噪声。

为了给运放足够的动态范围，因为即使运放是轨到轨，也不能保证完全输出到轨。

增加Vref是为了让运算放大器远离负轨，减少误差。

从上面的分析，我们应该对运算放大器相关的电路有一定的了解。

不同的电路分析方法是相似的。

虽然我们不能用数学的方法展示电路的所有特征，但关键点很容易推导和分析。

有了数学表达式，我们可以清楚地看到电路的一些特性，帮助我们提高电路的性能和可靠性。