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ADI光电二极管电路设计向导--pudao.pdf
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2019-09-01
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13页
概览 使用光电二极管向导设计跨导放大器电路与光电二极管接口。 从工具内置器件库中选择一个光电二极管,或输入自定义光电二极管规格。 快速考量权衡带宽、峰值(Q)和ENOB/SNR。 修改电路参数,并立即查看图中的脉冲响应、频率响应和噪声增益结果。 光电二极管向导提供运用实际运算放大器规格的计算结果和曲线图。 从包含数百个设备的运算放大器库中自动选择运算放大器 – 或者您可以手动选择首选的运算放大器。 通过光电二极管向导还可以保存或分享您的设计以及下载设计软件包,包括设计报告、SPICE仿真文件和物料清单。 具体项目帮助 有关具体项目帮助,请单击相关项目旁边的蓝色问号 。
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光电二极管
反向电压 (V
R
)
反向偏压值等于光电二极管两端的电压值。反向电压值是光电二极管直流精度和转换速度之间权衡取舍的
结果。
更多信息,请参考
《高阻抗传感器》
如需获得最高的直流精度:
将偏置电压设为 0V。一般将其称为光伏模式。光电二极管两端电压为 0V,因此不产生暗电流,输出失调
最小。噪声限于光电二极管分流电阻 R
SH
的热噪声光伏模式在光电二极管工作时具有最佳的线性度区域,
但同时也具有最高的光电二极管电容(C
D
),限制了速度。
最高带宽情况:
施加非零偏置电压。一般将其称为光导模式。更高的偏置电压将增加光电二极管空乏区的宽度,减小其电
容, 因此将增加光电二极管可实现的带宽。而由于存在暗电流,其缺点是更高的噪声、更大的非线性度
以及直流误差。
虽然所有光电二极管都可采用光伏或光导模式,但通常仅针对一种模式进行优化。因此,光电二极管数据
手册可能仅提供某一偏置电压值的规格。
注意事项
由于光电二极管的特性很大程度上取决于反向电压(V
R
),因此输入数据手册中与特定 V
R
相对应的规格非
常重要。
例如,当您改变反向电压值时,工具预计您将查找数据手册中光电二极管的电容值,并输入与反向偏置电
压值相对应的电容值。
实际上,我们需要您根据所选择的反向偏置电压输入数据手册中的正确值,该工具不会使用偏置电压输入
值来进行任何设计计算。工具中输入的 V
R
仅用于创建精确的原理图。
偏置
光电二极管偏置电压可能为正,也可能为负,可以根据最方便电路设计的方式来选择。无论何种情况,该
工具都可对光电二极管的方向进行设置,使其始终反向偏置,而光电二极管的另一端连接运算放大器反相
输入端的“虚拟地”。
请注意,对于单级设计,输出电压与光电二极管偏压极性相反。例如,若光电二极管的偏置电压为正值,
则该电路的输出电压为负值,通常无法将其发送至 ADC。 在下一个选项卡中,您将可选择单级或双级放
大器设计。而在双级电路设计中,我们可以为第二级选择合适的同相或反向配置,以保证无论光电二极管
的偏置电压如何,输出电压均为正值。
具有正偏置电压的简化原理图
具有负偏置电压的简化原理图
等效模型
为了接近二极管非理想特性的效果,通常使用“等效电路模型”进行光电二极管建模。光电二极管向导使用
下列模型计算设计值,并接近电路设计结果:
简化的光电二极管等效电路模型
光电二极管峰值电流 (I
P
)
在电路工作期间,光电二极管电流预期峰值取决于光电二极管的光敏度和测量的光强度峰值。这是电路可
测量的最大电流值,将在输出端转换为峰值电压。
这是流经跨阻放大器电路反馈路径的最大电流。需要调节电路增益,使峰值输出电压与该峰值电流相对
应。
光电二极管分流电阻 (R
SH
)
施加非零反向偏置电压时,光电二极管表现出非零电流特性(即没有光线时,电流也会流过光电二极
管)。在光电二极管数据手册中,该特性通常称为“暗电流”(特定 V
R
);而其在光电二极管等效电路中以
分流电阻表示。
将反向电压除以暗电流即可得到分流电阻:
R
SH
= V
R
/ I
dark
若要根据数据手册中满足 V
R
规格的暗电流近似计算 R
SH
。室温下,分流电阻 R
SH
通常大约为 1 GΩ,并且
温度每上升 10ºC 便以系数 2 下降。(
来自
《高阻抗传感器》
)
光电二极管电容 (C
D
)
在光电二极管等效电路中,光电二极管电容是影响光电二极管最大可能速度/带宽的关键参数。 光电二极
管电容随光电二极管结点面积增加而增加,随光电二极管偏置电压(V
R
)降低而降低。
(
来自
《高阻抗传感器》
)
光电二极管电容是结点面积和光电二极管偏置电压的函数 (来自 《高阻抗传感器》)。
参考光电二极管制造商数据手册,其中光电二极管的电容(CD)通常指定在特定的反向偏置值(VR)下。
Vishay BPW34 示例
数据手册中的特性表指定:C
D
= 70pF (V
R
= 0V),C
D
= 25pF (V
R
= 3V)
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