高速光电二极管信号调理电路设计与应用

在电子工程领域，高速光电二极管信号调理电路在诸多应用中发挥着关键作用。本文将详细介绍一款具有暗电流补偿功能的高速光电二极管信号调理电路，包括其电路功能、组件选择、噪声分析、ADC 选择以及测试结果等方面。

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一、电路概述

本次设计的电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具备暗电流补偿功能。该系统能够将高速硅 PIN 光电二极管产生的电流进行转换，并驱动 20 MSPS 模数转换器（ADC）的输入。其组合部件提供了 400 nm 至 1050 nm 的光谱灵敏度，光电流灵敏度为 49 nA，动态范围达 91 dB，带宽为 2 MHz。信号调理电路仅从 ±5 V 电源消耗 40 mA 电流，适用于便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪，也可作为模拟光隔离器，还能适应需要更大带宽和较低分辨率的应用，如自适应速度控制系统。

二、组件选择

（一）光电二极管

光电二极管是用于检测光强度的高阻抗传感器，它没有内部增益，但能在比其他光探测器更高的光水平下工作。光电二极管可在零偏置（光伏模式）或反向偏置（光电导模式）下工作。光伏模式可实现最精确的线性操作，而光电导模式虽牺牲线性度，但能实现更高的开关速度。在反向偏置条件下，即使没有光照，也会有少量暗电流流动。通过在运算放大器的同相输入端使用相同类型的第二个光电二极管，可以消除暗电流误差。

光电二极管的响应时间受三个因素影响：耗尽区载流子的电荷收集时间、未耗尽区载流子的电荷收集时间以及二极管电路组合的 RC 时间常数。较小扩散面积的光电二极管和较大的反向偏置可获得更快的上升时间。在 CN - 0272 电路中使用的 SFH 2701 PIN 光电二极管，0 V 偏置时典型结电容为 3 pF，最大为 5 pF；1 V 反向偏置时典型电容为 2 pF，5 V 反向偏置时为 1.7 pF，电路测量均采用 5 V 反向偏置。

（二）运算放大器

电路中使用的 AD8065 运算放大器具有仅 2 pA 的输入偏置电流和 400 µV 的输入失调电压，能有效减少输出误差。电路设计要求在最大光电二极管电流为 200 µA 时实现 5 V 的满量程输出，由此确定反馈电阻 (R_{F}) 的值为 24.9 kΩ。

（三）电容

为了稳定电路，需要添加电容 (C{F})。通过计算，当 (R{F}) 为 24.9 kΩ 时，产生 2 MHz 带宽的 (C{F}) 值为 3.3 pF。为确定该电容是否足以稳定系统，计算得到获得 45° 相位裕度所需的最小 (C{F}) 值为 1.1 pF，由于 3.3 pF 大于 1.1 pF，所以系统是稳定的。

三、噪声分析

在光电二极管前置放大器中，输出噪声的主要来源是运算放大器的输入电压噪声和反馈电阻噪声。FET 输入运算放大器的输入电流噪声可忽略不计，光电二极管的散粒噪声由于并联电容的滤波作用也可忽略。

反馈电阻噪声使用约翰逊噪声公式计算，得到 (V{R{F}} R T O = 36 mu V rms)。输出噪声的主要来源是输入电压噪声以及 (f{1}) 和 (f{CR}) 之间的高频噪声增益峰值，假设输出噪声在整个频率范围内恒定，并使用交流噪声增益的最大值，计算得到 (V_{N} R T O = 56 mu V rms)。总输出均方根噪声为这两个分量的 RSS 值，即 67 μV rms。

前置放大器的总输出动态范围通过将满量程输出信号（5 V）除以总输出均方根噪声（67 μV rms）并转换为分贝得到，约为 97 dB。

四、ADC 选择

已知放大器的输出噪声，通过将满量程输出除以均方根噪声可计算出可分辨的最大位数。计算得到总均方根 LSB 数为 74,627，有效分辨率为 16.19 位，无噪声代码分辨率为 13.49 位。由于实际应用不需要这么高的分辨率，经确认，系统采用 12 位 ADC 即可满足设计要求。

AD9629 - 20 是一款 20 MSPS、12 位分辨率的 ADC，是合适的选择。但它需要差分输入，因此使用 AD8475 差分漏斗放大器将 5 V p - p 单端信号转换为 2 V p - p 差分信号。AD8475 具有 500 µV 的最大输出失调、10 nV/√Hz 的差分输出噪声和 - 112 dB 的总谐波失真加噪声（THD + N），能够支持最大 2 V p - p 的输出电压，频率可达 10 MHz，满足 2 MHz 的设计要求。

考虑 AD8475 的噪声贡献后，计算得到总均方根 LSB 数为 37,313，有效分辨率为 15.19 位，无噪声代码分辨率为 12.49 位，总动态范围为 91 dB。

五、测试结果

（一）脉冲响应测试

使用激光二极管驱动光电二极管 D1 产生电流，光电二极管 D2 用于暗电流补偿，并用不透明环氧树脂覆盖以防止 D1 激发时 D2 产生输出电流。通过迫使光电二极管驱动比预期更大的电流，测得 AD8065 的近似最大上升和下降时间为 72 ns。在更实际的情况下，移动激光二极管位置使光电二极管电流不超过 200 µA，测得 AD8065 的上升和下降时间分别为 282 ns 和 290 ns，且两种测试情况下激光二极管关闭后均无振铃现象，说明系统有足够的相位裕度。

（二）高速光强度变化响应测试

使用安捷伦 33250A 函数发生器以 2 MHz 正弦波驱动激光二极管，AD8065 的输出能够成功检测到光强度的微小变化。CN0272 评估软件也能成功接收 AD9629 - 20 ADC 的转换数据并绘制图表。

六、常见变化

所选组件是针对噪声和成本进行优化的，但也可以进行其他组合替代。对于双电源放大器，可选用 ADA4817 - 1 和 ADA4637 - 1；若需要单电源操作，建议使用 AD8605 或 AD8615。这些放大器的输入偏置电流小于 2 pA，输入失调小于 400 µV，单位增益带宽产品大于 10 MHz。

对于需要 100 MHz 或更高带宽的应用，如自适应速度控制，建议使用 ADA4817 - 1 FastFET 放大器、ADA4932 - 1 低功耗差分 ADC 驱动器和 12 位、210 MSPS 的 AD9634 - 210 ADC。

七、电路评估与测试

（一）所需设备

包括带有 USB 端口和 Windows® XP（32 位）、Windows Vista® 或 Windows® 7 的 PC、EVAL - CN0272 - SDPZ 电路板、EVAL - SDP - CB1Z SDP - B 控制器板、CN - 0272 SDP 评估软件、EVAL - CFTL - 6V - PWRZ 直流电源或等效的 6 V/1 A 台式电源以及 400 nm 至 1050 nm 的光源。

（二）测试步骤

1. 软件加载：将 CN0272 评估软件放入 PC 的 CD 驱动器，通过“我的电脑”找到包含评估软件的驱动器。
2. 电路连接：将 EVAL - CN0272 - SDPZ 电路板的 120 针连接器连接到 EVAL - SDP - CB1Z 控制器板的 CON A 连接器，使用尼龙硬件固定。关闭电源，将 6 V 电源连接到电路板的 +6 V 和 GND 引脚，也可使用 6 V 墙式电源适配器。将 SDP - B 板附带的 USB 电缆连接到 PC 的 USB 端口，但此时不要连接到 SDP - B 板的 Mini - USB 连接器。
3. 测试操作：给连接到 EVAL - CN0272 - SDPZ 电路板的 6 V 电源（或墙式电源适配器）供电，启动评估软件，将 USB 电缆从 PC 连接到 SDP - B 板的 Mini - USB 连接器。建立 USB 通信后，SDP - B 板可用于发送、接收和捕获 EVAL - CN0272 - SDPZ 板的并行数据。

八、总结

这款高速光电二极管信号调理电路通过合理的组件选择和精心的设计，实现了良好的性能指标，适用于多种光强度检测应用。在实际设计中，工程师可以根据具体需求对组件进行调整和优化，以满足不同的应用场景。同时，通过详细的测试和评估，确保电路的稳定性和可靠性。大家在实际应用中是否遇到过类似电路设计的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。