光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需
要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT 扫描仪、血液分析仪、
烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管
产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转
换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易
地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一
步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。
本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作
原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个 SPICE 模拟程序,它会很形象地说明电路原
理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步(本文未作讨论)是制作实
验模拟板。
设计一个精密的光检测电路最常用的方法
是将一个光电二极管跨接在一个 CMOS 输入
放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种
方式的单电源电路示于图 1 中。
在该电路中,光电二极管工作于光致电压
(零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之
常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻 R 。
输出电压会随着电阻 R 两端的压降而变化。
式(1)中,V
OUT
是运算放大器输出端的电压,单位为 V;I 是光电二极管产生的电流,单位
为 A;R 是放大器电路中的反馈电阻,单位为 W 。图 1 中的 C 是电阻 R 的寄生电容和电
路板的分布电容,且具有一个单极点为 1/(2p R C )。
用 SPICE 可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器
的反馈元件 R 。用这个模拟程序,激励信号源为 I ,输出端电压为 V 。
此例中,R 的缺省值为 1MW ,C 为 0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理
想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于 1/(2p R C ),即 318.3kHz。改变R