光電二極管放大電路設計的思考

張彬冰

摘 要：光電二極管是將光信號轉換為電信號的電子元件，可實現對周圍環境光量變化的實時監測?；镜姆糯箅娐方Y構簡單，但在應用中容易受到干擾，限制較多。使用T型電阻網絡替換原基本光電二極管放大電路的I-U轉換電阻用以控制高增益工況時可能存在的殘余偏移量；為了降低噪聲在基本放大電路的基礎上增加了一個噪聲濾波復合放大電路，進而達到降噪和控制直流偏置的目的。

關鍵詞：光電二極管；放大電路；設計

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.20.097

光電二極管的電壓輸出可達0.2～0.4V，能基本滿足電路需求，但這種輸出往往是非線性的，且輸出帶寬有限。而光電二極管的電流輸出一般在幾十到幾百μA之間，爾后對電流再進行I-U轉換，予以應用，可提高光電轉化功效，改善輸出特性。如此，須隔離光電二極管和它的電壓信號輸出。一般把帶有放大器和I-U轉換的電路成為基本的光電二極管（如圖1所示）。

1 偏置

在光電二極管的設計使用中，光電二極管的漏電流和放大電路的輸出電流會經過Rf反饋電阻，結果是放大電路輸出端出現明顯的直流偏置。

為減少直流偏置誤差，使用T型電阻網絡（如圖2所示）來代替圖1中的反饋電阻Rf。這個T電阻型網絡中，Rft>>R1，R1>>R2，可產生與圖1中Rf相同的反饋阻抗，但其阻抗值卻遠小于Rf。

電路設計過程中，首要的考慮因素就是電路的信號輸入條件，反饋電路在放大電路的反相輸入端接入了輸出電流——Ip，這時Rft上就形成了電壓Uft（Uft=IpRft），就是基礎的I-U轉換電路的輸入電壓。分壓器R1—R2能夠增大整個電路的輸出電壓e0。

2 噪聲

圖1所示的是基本的光電二極管放大電路結構，該結構中光電二極管為零偏壓，對運算放大電路而言為高阻抗，使得放大電路因單位反饋系數的減少而形成了類似簡單電路的電阻反饋，這就會增大整個電路的噪聲增益，并使得這種噪聲增益電壓反映到了輸出端。

噪聲電流在反饋電阻上產生電壓直接作用在電路的輸出端，放大電路對它沒有放大作用，電流噪聲的平方與偏置電流成正比關系而與反饋電阻阻值的平方成反比。

3 降噪

圖4所示的電路在基本光電二極管放大電路后增加了一個運算放大器來控制噪聲的帶寬，可控制噪聲帶寬使其與信號帶寬相同。該方案串聯使用兩個放大電路，且通過Rf返送到運算放大器U1的同相輸出端，在保留負反饋的同時避免了兩個放大電路在同一回路中的相位倒置問題。

在不斷變化的工作頻率中，放大電路U2起到積分電路的作用，隨著頻率的變化，開始放大電路U2起到積分電路的作用爾后開始起到衰減電路的作用。當電路在低頻段工作，U2為復合反饋提供開環增益，而C1則主要是阻礙U2的本地反饋，二者的共同作用提高了電路低頻工作時的準確性。在中頻工作階段，R1和C1構成的積分電路有效減小了U2的增益。當電路在高頻段工作時，C1被短路，R1和R2形成的閉環效應負責控制U2的增益。其中：

UCL2=-R1/R2

當R2

輸出噪聲電壓仿真結果如5所示，其中：

曲線1為未采用復合放大電路的噪聲仿真結果統計曲線；

曲線2為使用復合放大電路的噪聲仿真結果統計曲線。

從曲線1、2的對比上不難看出，使用復合放大電路能有效降低噪聲的增益，同時能維持原信號帶寬不變。

4 結論

綜上分析可知，基本光電二極管放大電路問題較多。本文為降低高增益時的潛在偏移問題，在電路中使用T型電阻網絡替換原反饋電阻，有效控制了殘余偏移量。在基本光電二極管放大電路中，I-U轉化電路噪聲電流、電壓較為復雜，本文加入新的放大電路與原放大電路進行串聯，組成復合放大電路，在提供有效相位補償的同時，提高了電路的低頻增益，提高了響應的準確性，降低了只對噪聲起作用的部分帶寬，進一步降低了噪聲。

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