光电二极管放大器的设计技巧分享

本文涵盖了与基于光电二极管系统的跨阻放大器设计相关的重要细节。

如何放大光电二极管信号

放大光电二极管产生的极低幅度电流的标准方法是将此电流用作基于运算放大器的跨阻放大器 （TIA） 的输入。下图提供了一个连接到 TIA 的光电二极管示例；光电二极管具有零偏压，这意味着光电二极管工作在光伏模式。

图 1.连接到跨阻放大器的光电二极管

有关跨阻放大器的更多信息，请参阅AAC 关于此主题的视频教程。

保持光电二极管电路的稳定性

在上面显示的电路中，只有电阻器 （R F ） 提供增益。电容器 （C F ）的目的是通过补偿光电二极管的内部结电容来避免振荡问题，这会在反馈网络中产生一个极点。C F通过在反馈网络中创建零来进行补偿。

振荡是光电二极管电路的一个非常现实的问题。确实，内部频率补偿通常可以保护运算放大器实现不受不稳定影响，但即使您使用内部补偿运算放大器，光电二极管 TIA 也会发生振荡。

您可以在我的负反馈系列的第 8 部分中了解更多关于光电二极管放大器稳定性的信息，包括如何有效调整补偿电容器的大小。

包含直流偏移

在某些情况下，您可能希望使用光电二极管来记录特定类型的短时光或热事件产生的波形。您可以使用交流耦合来消除环境辐射的影响，从而允许系统仅检测瞬态照明，但波形的下降沿可能会延伸到地以下。

这在单电源系统中可能会出现问题：如果运算放大器的负电源接地，延伸到 0 V 以下的波形部分将被削波。

您可以通过向运算放大器的同相输入端子施加一个小的直流电压（称为 V OFFSET）来解决这个问题；V OFFSET将成为放大器在没有输入信号时产生的输出电平。波形的下降沿将能够延伸到该电压以下，并且在瞬态事件之后，放大的输出最终将返回到 V OFFSET。

图 2. 与图 1 中连接到跨阻放大器的相同光电二极管，但具有 DC 偏移。

在这个例子中，我使用一个电阻分压器来产生一个合适的偏移电压。并联电容器有助于抑制来自电源的高频噪声。

您选择的失调电压取决于应用。您不想使 V OFFSET大于必要值：如果偏移为 500 mV，但您的输入波形从未延伸到地以下超过 200 mV，您就会损失 300 mV 的信号摆幅，正部分可能需要这些摆幅的波形。

请记住，由于虚拟短路，施加到同相输入端子的电压也会出现在反相输入端子上。这意味着正偏移电压将导致光电二极管具有反向偏置。光电二极管简介的第 3 部分讨论了反向偏置对光电二极管工作的影响。

避免饱和

即使您不打算保留波形的低于接地部分，如果您正在设计单电源系统，您也应该考虑包括一个小的（可能是 100 mV）偏移电压，因为它可以防止运算放大器在负轨上饱和。

饱和并不是灾难性的，但运算放大器（与比较器不同）并未针对在电源轨上产生输出电压进行优化。饱和运算放大器需要一些时间才能脱离饱和状态；因此，在负轨处饱和的 TIA 在响应输入信号时会出现一些延迟。

结论

我们仔细研究了光电二极管的跨阻放大器，讨论涉及稳定性、用于波形保存的直流偏移以及用于防止运算放大器饱和的直流偏移。
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