集成电路中的光电二极管原理及前置放大器电路

在用于光检测的固态检波器中，光电二极管仍然是基本选择。光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。 　　设计过程中，经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。响应度是检波器输出与检波器输入的比率， 是光电二极管的关键参数。 其单位为 A/W 或 V/W。 　　前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。 光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导（图 2）。 　　图 3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过 光电二极管是一种半导体器件，它能够将光能转化为电能，因此在各种光学应用中发挥着关键作用。在集成电路中，光电二极管作为固态检波器的基础，广泛应用于光通信、医疗诊断、色彩测量、信息处理、条形码识别、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导等多个领域。 光电二极管的工作模式主要有两种：光电模式和光敏模式。在光电模式下，光电二极管的响应度是衡量其性能的重要指标，表示为输出电流或电压与入射光强之比，单位通常为 A/W 或 V/W。优化设计时，会根据应用场景选择合适的模式。 在光电二极管的前端，通常需要一个放大器来提取由光电二极管生成的微小信号。这种放大器可以是电压模式或跨导模式。电压模式放大器主要关注输出电压与输入电流的关系，而跨导放大器则关注输出电压与输入电流变化率的关联。图2中的跨导放大器结构特别适用于高噪声环境，能提供精密线性传感性能。图3c中展示的跨导放大器通过“零偏压”光电二极管操作，减少暗电流，从而提高检测精度。 在实际应用中，例如高速光电二极管信号调理电路（如图4所示），可以实现高速数据采集，如20 MSPS ADC的输入驱动。该电路具备暗电流补偿功能，以减少暗电流误差，适用于高速、高分辨率的光强度测量应用，例如脉搏血氧仪。在设计这类电路时，需要考虑稳定性、噪声分析和器件选择，以满足特定带宽要求。 光电二极管的响应时间受多种因素影响，包括载流子在耗尽区和非耗尽区的充电时间，以及电路的RC时间常数。为了加快响应速度，可以选择结电容较小、反向偏置较大的光电二极管。在CN-0272电路笔记中，SFH 2701 PIN光电二极管被用作示例，其反向偏置下的结电容可以显著影响上升时间。 软件仿真工具，如LabVIEW和MultiSim，可以帮助设计师优化电路，通过调整反馈电阻上的电容来调整电路的带宽和稳定性。例如，2 pF的反馈电容可以引入一个极点，抵消噪声增益路径中的零点，确保电路的稳定性和适当的带宽。 光电二极管及其前置放大器电路在集成电路中扮演着至关重要的角色。理解其工作原理、优化方法和设计考虑，对于开发高效、精确的光学系统至关重要。无论是医疗设备、安全系统还是通信技术，光电二极管都是不可或缺的技术组件。