光电二极管原理及前置放大器电路详解

作者:乐鱼体育官网登录发布时间:2022-01-09 01:55

本文摘要:在用作光检测的固态检波器中,光电二极管依然是基本自由选择。光电二极管普遍用作光通信和医疗临床。其他应用于还包括色彩测量、信息处理、条形码、照相机曝光掌控、电子束边缘检测、电子邮件、激光光束、飞机降落辅助和导弹制导。 设计过程中,常常不会优化用作光电模式或光敏模式的光电二极管。 号召度是检波器输入与检波器输出的比率,是光电二极管的关键参数。其单位为A/W或V/W。 前置放大器在低背景噪声环境中萃取传感器分解的小信号。光电导体的前置放大器有两类:电压模式和跨导(图2)。

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在用作光检测的固态检波器中,光电二极管依然是基本自由选择。光电二极管普遍用作光通信和医疗临床。其他应用于还包括色彩测量、信息处理、条形码、照相机曝光掌控、电子束边缘检测、电子邮件、激光光束、飞机降落辅助和导弹制导。  设计过程中,常常不会优化用作光电模式或光敏模式的光电二极管。

号召度是检波器输入与检波器输出的比率,是光电二极管的关键参数。其单位为A/W或V/W。  前置放大器在低背景噪声环境中萃取传感器分解的小信号。光电导体的前置放大器有两类:电压模式和跨导(图2)。

  图3c右图的跨导放大器结构产生的仪器线性传感性能是通过零偏压光电二极管构建的。在此配备中,光电二极管找到输入间不存在短路,按照公式3(Isc=Ilight),基本上不不存在暗电流。  光电二极管曝露在光线下且用于图2c的电路时,电流将流过运算放大器的转换器节点,如图3右图。

若阻抗(RL)为0且VOUT=0V,则理论上光电二极管不会经常出现短路。实质上,这两种状况都意味著会经常出现。RL相等Rf/Aopen_loop_Gain,而VOUT是放大器对系统配备产生的虚拟世界地。

  图4右图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。系统切换来自高速硅PIN光电二极管的电流,并驱动20MSPS模数转换器(ADC)的输出。该器件人组可获取400nm至1050nm的频谱敏感度和49nA的光电流敏感度、91dB的动态范围以及2MHz的比特率。

信号调理电路使用5V电源供电,功耗仅有为40mA,合适便携式高速、高分辨率光强度应用于,如脉搏血氧仪。  光电二极管工作时使用零偏置(光伏)模式或偏移偏置(光导)模式。光伏模式可取得最准确的线性运算,而让二极管工作在光导模式可实现更高的电源速度,但代价是减少线性度。

在偏移偏置条件下,不存在少量的电流(称作暗电流),它们甚至在没光照度的情况下也不会流动。可在运算放大器的同互为输出末端用于第二个同类光电二极管避免暗电流误差,如图4右图。

  图4.具备暗电流补偿功能的光电二极管前置放大器系统(原理示意图:并未表明所有相连和去耦)  本电路还合适其它应用于,如仿真光隔离器。它还能满足需要更加高带宽和更加低分辨率的应用于,如自适应速度控制系统。

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  本电路笔记辩论图4中右图电路的优化设计步骤,以符合特定比特率应用于的拒绝,这些步骤还包括:稳定性计算出来、噪声分析和器件自由选择考虑到因素。  光电二极管归属于低电阻传感器,用作检测光的强度。它没内部增益,但比起其它光检测器,可在更高的光级度下工作。

  有三个因素影响光电二极管的响应时间:  正处于光电二极管消耗区域内载波的电池收集时间  正处于光电二极管并未消耗区域内载波的电池收集时间  二极管电路人组的RC时间常数  由于结电容各不相同光电二极管的蔓延区以及产生的偏移偏置,使用蔓延区较小的光电二极管并产生较小的偏移偏置才可取得更慢的上升时间。在CN-0272电路笔记中,使用SFH2701PIN光电二极管,其结电容典型值为3pF,0V偏置下的最大值为5pF.1V偏移偏置时的典型电容为2pF,5V偏移偏置时为1.7pF.本电路的测量皆在5V偏移偏置下展开。

  图5光电二极管电路的噪声电路分析  该软件环境获取了光电二极管的LabVIEW跨导模型,容许根据设计示例中用于的明确光电二极管展开自定义(图5a)。必需再行运营建模,再行建构任何板卡。由于噪声增益路径(图5b)中引进了零点,所以可能会经常出现不平稳。

MultiSim建模说明了噪声增益路径中引进零点导致的不平稳(图5b)。转变对系统电阻上的电容不会影响能用的比特率(图5c)。  如上文所述,必需在对系统电阻上摆放2pF电容来引进一个零点,从而中止此零点。

2pF对系统电容是理论值。可以分析有所不同值对设计电路能用比特率的影响(图5c)。还可以通过监控输入来校验电路比特率,其-3dB比特率为1kHz。

  编辑评论:本文讲解分析了光电二极管的原理及信号调理电路图,光电二极管产生一个与灯光度成比例的黯淡电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输入信号切换为一个能用的电压信号。

可用作CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、方位传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。


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