在高精度光電轉換應用中，我們經常使用光電二極管和互阻抗放大器將光信號轉換為電信號，并將其放大。如圖 1 所示，通過 R1 的光電流可在放大器輸出端產生電壓，實現電流電壓轉換。這是最簡單、最常用的光電轉換電路。本文將介紹如何在已有光電二極管的情況下選擇放大器，如何在已有放大器的情況下選擇光電二極管，以及如何優化反饋電阻器 R1 及補償電容器 C1。
圖 1：最簡單的常用光電轉換電路
圖 2 是開環增益 (Aol)、互阻抗(電流至電壓 I-V)增益以及整個頻率下的噪聲增益。根據圖 2，在互阻抗電路設計過程中，我們必須考慮零點、極點以及放大器 GBW (fc)，以滿足系統要求。
圖 2：互阻抗放大器的頻率響應
硅光電二極管、PIN 二極管和 APD 二極管是三種典型的光電二極管。硅光電二極管專為高精度光度測定領域設計，因為它們具有高靈敏度與低暗電流。PIN 二極管能夠以低偏置電壓提供大帶寬，一般用于高速光度測定與光通信。APD 二極管具有高內部增益機制、快速時間響應以及紫外至近紅外區的高靈敏度，主要用于高速遠距離光通信系統。
硅光電二極管的主要規范有光譜響應、光靈敏度、暗電流、終端電容、分流電阻、響應時間以及噪聲等效功率。運算放大器規范也很重要。在本應用中，我們更關注放大器的偏置電流、失調、GBW、噪聲、輸入電容以及輸出軌。選擇運算放大器時，首先應選擇 JFET 或 CMOS 放大器。JFET 與 CMOS 輸入放大器具有極低的偏置電流，非常適合光電轉換。
在光電二極管規范確定后，如何選擇放大器、 R1 和 C1 ：
在本部分中，我們將探討在指定了系統帶寬 (BW0) 和光電二極管特征(光電二極管結點電容 Cd 和光電二極管分流電阻 Rsh)的情況下如何選擇組件。目標是選擇放大器、反饋電阻器和補償電容器。現在我們已知的參數有 BW0、Cd 和 Rsh。在光電轉換過程中，輸出噪聲可影響電路靈敏度。光電二極管在應用中的最大輸出電流由輸入光學功率以及光電二極管規范決定。因此，我們可通過在開始進行計算或測量來確定光電二極管的最大輸出電流 Iomax。
放大器具有輸出軌限制，從來不會超過電源范圍。某些放大器輸出軌非常接近電源軌，而某些輸出軌卻有極大限制。我們可以參考運算放大器產品說明書，了解具體電軌限制。為讓放大器工作在線性區域，我們必須限制反饋電阻器的值。在設計電路時，可能會有放大器偏置電流、輸入失調以及二極管暗電流造成的大量輸出失調。輸出失調不僅會限制放大器的 AC 動態范圍，而且還會限制反饋電阻器的值：
如果 R1 太小，放大器 AC 輸出動態范圍就很浪費。另一方面，大型 R1 會增大電路輸出噪聲，如圖 3 所示。
圖 3：反饋電阻器對噪聲增益的影響
較大電路帶寬需要較小補償電容，但較小補償電容將增大噪聲增益，導致輸出更大噪聲，降低分辨率，如圖 4 所示。
圖 4：補償電容對噪聲增益的影響
圖 5：光電二極管終端電容器對電路噪聲增益曲線的影響
從圖 5 可以明顯看出，對于較小光電二極管電容而言，總體噪聲更理想。因此我們需要選擇電容較小的光電二極管。結點電容與擴散面積成正比，與耗盡區寬度成反比。擴散面積與靈敏度成正比。如果通過縮小耗盡區來降低結點電容，也會導致光電二極管靈敏度下降。在這種情況下，我們需要增大互阻抗來放大信號。使用極大值的反饋電阻器對電路性能不利，原因有幾個。首先我們可以看到，使用較大反饋電阻器增大了噪聲帶寬，而且電阻器本身也在電路中產生了額外的熱噪聲(見圖 3)。其次，如果我們使用極大的電阻器來確保帶寬，我們就必須使用較小的補償電容。圖 4 是使用較小補償電容會增大噪聲增益的情況。最后，大型電阻器及二極管的暗電流還會在輸出端造成較大的失調，其將限制電路的動態范圍。
此外，該電容還取決于反向偏置電壓。在光電二極管上應用反向電壓以減少結點電容，從而降低噪聲，是一種值得考慮的方法。但仍然需要注意來自反向偏置電壓源的噪聲。我們可使用 LPF 濾除偏置噪聲。該 LPF 必須使用小阻值電阻器，以防止調制光電二極管上的電壓。
圖 6：摘自產品說明書的 S2551 規范
圖 7：OPA314 的主要規范
這是一款支持 0.2pA 偏置電流的軌至軌輸入輸出放大器。3MHz 單位穩定 GBW 放大器只有 150uA 的靜態電流。內部 RF/EMI 濾波器可在惡劣電磁環境中提高電路性能。其低噪聲與低失調可滿足該應用需求。
因此 OPA314 是滿足該需求的理想選擇。盡管如此，我們仍然需要使用所選放大器的真實規范再次驗證：
圖 8：仿真電路
圖 9：設計電路仿真輸出
總結
本文主要介紹了如何為光電轉換應用選擇放大器、反饋電阻器及補償電容器，并介紹了用于幫助我們為任何光電二極管或放大器選擇組件的六步選擇法。隨后還提供了一個真實電路設計與仿真案例，用于演示該六步選擇法。它為在互阻抗電路設計中選擇和優化噪聲相關型組件提供了一個簡單的方法。但由于優化值并未考慮印刷電路板寄生因素，在許多實際案例中可能需要進行調整。在互阻抗電路輸出之后使用一個 LPF 還可降低噪聲。 |
