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光电二极管放大器的设计技巧

2021年1月12日经过罗伯特·基姆(Robert Keim)

本文介绍了与基于光电二极管系统的变速器放大器设计有关的重要详细信息。

如果您仍然对光电二极管的功能和实施有所了解,我绝对建议您阅读(或至少略读!)我对Photodiodes系列的简介:

  1. 光和PN连接的性质
  2. 光敏PN连接的物理操作
  3. 了解光电二极管操作的光伏和光电传入模式
  4. 不同光电二极管技术的特征
  5. 了解光电二极管等效电路

如何放大光电二极管信号

放大光电二极管生成的非常低振幅电流的标准方法是将此电流用作基于操作AMP的透射放大器(TIA)的输入。下图提供了连接到TIA的光电二极管的示例。光电二极管的电压偏置为零,这意味着光电二极管在光伏模式下运行。

图1。连接到变速器放大器的光电二极管

有关透明放大器的更多信息,请参考AAC关于此主题的视频教程

保持光电二极管电路的稳定性

在上面显示的电路中,仅电阻器(rF)提供增益。电容器的目的(cF)是通过补偿光电二极管的内部连接电容来避免振荡问题,该连接电容在反馈网络中产生极点。CF通过在反馈网络中创建零来补偿。

振荡是光电二极管电路的一个非常真实的问题。的确内部频率补偿通常可以保护运行放大器的实现免受不稳定性的侵害,但是即使您使用内部补偿的操作AMP,光电二极管也可以振荡。

您可以在光电二极管放大器中了解更多有关稳定性的信息第8部分我的负反馈系列

合并直流偏移

在某些情况下,您可能需要使用光电二极管记录由特定类型的短期光学或热事件产生的波形。您可以使用交流耦合来消除环境辐射的效果,从而使系统仅检测瞬态照明,但是波形的下降边缘可能延伸到地面以下。

这在单个供应系统中可能是有问题的:如果接地运算放大器的负供应,则将缩短延伸低于0 V的波形的一部分。

您可以通过应用小直流电压来解决此问题,称其为V抵消,到Op-Amp的非反转输入终端;v抵消在没有输入信号的情况下,放大器产生的输出水平将成为。波形的下降边缘将能够延伸到此电压以下,并且在瞬态事件发生后,放大的输出最终将返回到V抵消

图2。如图1所示,连接到变速器放大器的相同光电二极管,但具有直流偏移。

在此示例中,我使用电阻分隔器来产生合适的偏移电压。平行电容器有助于抑制来自电源的高频噪声。

您选择的偏移电压将取决于应用程序。你不想做V抵消任何比必要的要大:如果偏移量为500 mV,但是您的输入波形在地面以下不超过200 mV,则您已经损失了300 mV的信号摆动,这可能是波形的正部分所需的。

请记住,要归功于非转换输入终端的电压虚拟短,也出现在反转输入端子上。这意味着正偏置电压将导致光电二极管具有反向偏置。反向偏置对光电二极管操作的影响光电二极管简介的第3部分

避免饱和

Even if you’re not determined to preserve the below-ground portion of the waveform, you should consider including a small (maybe 100 mV) offset voltage if you’re designing a single-supply system, because it prevents the op-amp from saturating at the negative rail.

饱和度不是灾难性的,但是在供应轨道上产生输出电压的运算放大器(与比较器不同)并未优化。饱和的操作装置需要一些时间才能摆脱饱和。因此,在响应输入信号时,在负轨道上饱和的TIA会表现出一定的延迟。

结论

我们仔细研究了光电二极管的变速器放大器,讨论涉及稳定性,DC偏移以保存波形和DC偏移量,以防止操作AMP饱和。关于Photodiode Tias还有很多话要说,我们将在下一篇文章中继续这一主题。