光電二極管放大電路設計的幾點思考

佘敏敏 宋贛祥 黃軍偉

摘 要：光電二極管可以將光信號轉變成電信號，這就可以對空間中的光量進行監測。基本放大電路結構簡單，但在實際應用過程中仍是受到了很多方面的限制.本文在基本光電二極管放大電路的基礎上使用了T型電阻網絡來代替電流-電壓轉換電阻來控制在高增益情況時潛在的殘余偏移量；為了降低電路中所產生噪聲的影響，本文在基本放大電路的基礎上，增加了一個運算放大器和反饋元件，組成了噪聲濾波復合放大器，以此來達到控制直流偏置和降噪的目的。

關鍵詞：光電二極管；運算放大器；電路設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.129

光電二極管能夠輸出滿足大多數電子儀器所需的電壓輸出，但是這種輸出模式卻導致了非線性的響應特性和非常有限的帶寬。如果使光電二極管輸出為電流，再對輸出的電流進行電流-電壓轉換，就可以極大地提高它的效能和特性，這就要求光電二極管和信號電壓隔離開來，這種基于運算放大器的電流-電壓轉換器就是最基本的光電二極管放大電路（見圖1）。

1 偏置

在光電二極管的應用中，放大器的輸入電流和光電二極管的漏電流同時流過反饋電阻Rf，那么在電路輸出端就會出現直流偏置。

如圖2所示，使用一個T型電阻網絡來代替圖1中的Rf，可以極大地減少偏置誤差（其中Rft>>R1，R1>>R2）。這個T型網絡產生了與Rf等效的反饋阻抗，但是它的阻抗值要小得多。

首先要考慮信號條件，電路的反饋通路在放大器的反相輸入端接收了光電二極管的電流Ip，那么反饋信號就在Rft上產生一個電壓IpRft。對于基本電流-電壓轉換器來說，IpRft是電路的輸入電壓。由R1和R2構成的分壓器可以使得輸出電壓e0增大，直到滿足電壓IpRft的要求，e0=IpRfeq中的Rfeq=Rft+R1+RftR1/R2為T型等效反饋阻抗。實際上Rft是T型網絡中最大的阻抗，有Rft>>R1，那么Rfeq≈（1+R1/R2）Rft。這樣，T型網絡就有效地放大了Rft，放大系數為R1與R2的分壓比的倒數或1+R1/R2。T型網絡的等效反饋阻抗產生了一個輸出信號e0≈ Ip（1+R1/R2）Rft ，就好像用于反饋的是一個很大的電阻而不是T型網絡。對給定的電流-電壓增益，這種乘法關系減少了對于Tft阻值的要求，減少因子同樣是1+R1/R2。

2 噪聲

圖1是光電二極管的簡單結構圖，在這個圖中，光電二極管處于零偏壓，并對運算放大器的輸入端呈現高阻抗。這使得運算放大器由單位反饋系數產生了一個簡單的電阻反饋。這樣電路通常會產生單位噪聲增益，并且將運算放大器的輸入噪聲電壓直接傳輸到電路的輸出。

圖3是對圖1所示的基本光電二極管放大器進行噪聲分析的模型。在該模型中，電流源，Rd，Cd代表光電二極管。噪聲源ini，eni代表放大器輸入端的相關特性。最后噪聲源enR表示反饋電阻的噪聲電壓。有反饋電阻直接貢獻噪聲的噪聲譜密度是en0R2=4KTRf。

式中， K為波爾茲曼常數，值為1.38x10-23 J/K； T為絕對溫度（K）；R為電阻阻值。

從圖中可以得到[1]：

eno2 = enoR2+enoi2+enoe2

Eno2 = EnoR2+Enoi2+Enoe2

式中， enoR為噪聲譜密度；enoi2=Rf2*2qIB- Eno，為輸出噪聲電壓。其中的 各電壓采用RMS均方根值表示。

計算電流噪聲：放大器或光電二極管的偏置電流會產生散粒噪聲，散粒噪聲譜密度為：

i2no =2qI

而散粒噪聲電流計算為

I2no=2qIΔf

由電流噪聲產生的噪聲輸出為

E2noi=2qIΔfRf2

噪聲電流通過反饋電阻產生噪聲電壓，直接作用于輸出端，放大器對其無增益，電流噪聲與偏置電流的平方根成正比，與反饋電阻成正比。

3 降噪

圖4在基本光電二極管放大電路的后面再加一個運放來控制噪聲帶寬，可以使噪聲和信號帶寬相等。圖中這兩個運放串聯，需要反饋電阻Rf返回到U1的同相輸入端，而不是反相輸入端。這樣就避免了在同一個反饋回路中，出現兩個放大器相位倒置，同時也保留了負反饋。

隨著頻率的變化，U2從放大器變為積分器，然后變為衰減器。在低頻率段，C1阻礙了U2的本地反饋，這個放大器為復合反饋提供了完整的開環增益。增加的增益降低了低頻誤差。在中間頻率段，有R1和C1組成的積分器在向衰減模式過渡中降低了U2的增益支持，該增益是在轉變為衰減模式中獲得的。在高頻區域，C1變成短路，A2的增益控制變成R1，R2的閉環效應。UCL2=-R1/R2，在R2

如圖5所示， 曲線1、2分別是未采用復合放大器和采用了復合放大器方案的噪聲仿真圖，對比曲線1和2可以看出采用復合放大器方案能將噪聲增益降低，同時還能保持信號的帶寬不改變；驗證了復合放大器降噪電路的效果。

4 結論

通過以上的分析我們可以知道，基本光電二極管放大電路有很多的缺點。首先為了解決在高增益情況時潛在的顯著的偏移，所以在電路中加入了T型電阻網絡來代替原來的反饋電阻，這樣就可以控制殘余的偏移量。在光電二極管放大器中，電流-電壓轉換器顯示出了很多較復雜的噪聲電流和噪聲電壓。因此在電路中又加入了一個放大器與已有放大器串聯來組成了噪聲濾波復合放大器。通過分析我們可以看到，在增加了一個運算放大器后，復合放大器取代了單個放大器放大電路的外部相位補償功能。而且復合放大器提高了低頻開環增益的強度，增加了響應的準確性。且復合放大器降噪降低了放大器帶寬，移除了只對噪聲有用而對信號無用的帶寬部分，以此來達到降噪的目的。

參考文獻：

[1]張正茂，陳鋒.光電探測放大器的噪聲分析[J].

[2]Jerald Graeme著[美]，賴康生，許祖茂，王曉旭譯.光電二極管及其放大電路設計[J].科學出版社.

基金項目：上海市大學生創新創業活動計劃項目A1-5701-14-006-08-26