光电二极管放大电路设计的几点思考

佘敏敏 宋赣祥 黄军伟

摘 要：光电二极管可以将光信号转变成电信号，这就可以对空间中的光量进行监测。基本放大电路结构简单，但在实际应用过程中仍是受到了很多方面的限制.本文在基本光电二极管放大电路的基础上使用了T型电阻网络来代替电流-电压转换电阻来控制在高增益情况时潜在的残余偏移量；为了降低电路中所产生噪声的影响，本文在基本放大电路的基础上，增加了一个运算放大器和反馈元件，组成了噪声滤波复合放大器，以此来达到控制直流偏置和降噪的目的。

关键词：光电二极管；运算放大器；电路设计

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

光电二极管能够输出满足大多数电子仪器所需的电压输出，但是这种输出模式却导致了非线性的响应特性和非常有限的带宽。如果使光电二极管输出为电流，再对输出的电流进行电流-电压转换，就可以极大地提高它的效能和特性，这就要求光电二极管和信号电压隔离开来，这种基于运算放大器的电流-电压转换器就是最基本的光电二极管放大电路（见图1）。

1 偏置

在光电二极管的应用中，放大器的输入电流和光电二极管的漏电流同时流过反馈电阻Rf，那么在电路输出端就会出现直流偏置。

如图2所示，使用一个T型电阻网络来代替图1中的Rf，可以极大地减少偏置误差（其中Rft>>R1，R1>>R2）。这个T型网络产生了与Rf等效的反馈阻抗，但是它的阻抗值要小得多。

首先要考虑信号条件，电路的反馈通路在放大器的反相输入端接收了光电二极管的电流Ip，那么反馈信号就在Rft上产生一个电压IpRft。对于基本电流-电压转换器来说，IpRft是电路的输入电压。由R1和R2构成的分压器可以使得输出电压e0增大，直到满足电压IpRft的要求，e0=IpRfeq中的Rfeq=Rft+R1+RftR1/R2为T型等效反馈阻抗。实际上Rft是T型网络中最大的阻抗，有Rft>>R1，那么Rfeq≈（1+R1/R2）Rft。这样，T型网络就有效地放大了Rft，放大系数为R1与R2的分压比的倒数或1+R1/R2。T型网络的等效反馈阻抗产生了一个输出信号e0≈ Ip（1+R1/R2）Rft ，就好像用于反馈的是一个很大的电阻而不是T型网络。对给定的电流-电压增益，这种乘法关系减少了对于Tft阻值的要求，减少因子同样是1+R1/R2。

2 噪声

图1是光电二极管的简单结构图，在这个图中，光电二极管处于零偏压，并对运算放大器的输入端呈现高阻抗。这使得运算放大器由单位反馈系数产生了一个简单的电阻反馈。这样电路通常会产生单位噪声增益，并且将运算放大器的输入噪声电压直接传输到电路的输出。

图3是对图1所示的基本光电二极管放大器进行噪声分析的模型。在该模型中，电流源，Rd，Cd代表光电二极管。噪声源ini，eni代表放大器输入端的相关特性。最后噪声源enR表示反馈电阻的噪声电压。有反馈电阻直接贡献噪声的噪声谱密度是en0R2=4KTRf。

式中， K为波尔兹曼常数，值为1.38x10-23 J/K； T为绝对温度（K）；R为电阻阻值。

从图中可以得到[1]：

eno2 = enoR2+enoi2+enoe2

Eno2 = EnoR2+Enoi2+Enoe2

式中， enoR为噪声谱密度；enoi2=Rf2*2qIB- Eno，为输出噪声电压。其中的 各电压采用RMS均方根值表示。

计算电流噪声：放大器或光电二极管的偏置电流会产生散粒噪声，散粒噪声谱密度为：

i2no =2qI

而散粒噪声电流计算为

I2no=2qIΔf

由电流噪声产生的噪声输出为

E2noi=2qIΔfRf2

噪声电流通过反馈电阻产生噪声电压，直接作用于输出端，放大器对其无增益，电流噪声与偏置电流的平方根成正比，与反馈电阻成正比。

3 降噪

图4在基本光电二极管放大电路的后面再加一个运放来控制噪声带宽，可以使噪声和信号带宽相等。图中这两个运放串联，需要反馈电阻Rf返回到U1的同相输入端，而不是反相输入端。这样就避免了在同一个反馈回路中，出现两个放大器相位倒置，同时也保留了负反馈。

随着频率的变化，U2从放大器变为积分器，然后变为衰减器。在低频率段，C1阻碍了U2的本地反馈，这个放大器为复合反馈提供了完整的开环增益。增加的增益降低了低频误差。在中间频率段，有R1和C1组成的积分器在向衰减模式过渡中降低了U2的增益支持，该增益是在转变为衰减模式中获得的。在高频区域，C1变成短路，A2的增益控制变成R1，R2的闭环效应。UCL2=-R1/R2，在R2

如图5所示， 曲线1、2分别是未采用复合放大器和采用了复合放大器方案的噪声仿真图，对比曲线1和2可以看出采用复合放大器方案能将噪声增益降低，同时还能保持信号的带宽不改变；验证了复合放大器降噪电路的效果。

4 结论

通过以上的分析我们可以知道，基本光电二极管放大电路有很多的缺点。首先为了解决在高增益情况时潜在的显著的偏移，所以在电路中加入了T型电阻网络来代替原来的反馈电阻，这样就可以控制残余的偏移量。在光电二极管放大器中，电流-电压转换器显示出了很多较复杂的噪声电流和噪声电压。因此在电路中又加入了一个放大器与已有放大器串联来组成了噪声滤波复合放大器。通过分析我们可以看到，在增加了一个运算放大器后，复合放大器取代了单个放大器放大电路的外部相位补偿功能。而且复合放大器提高了低频开环增益的强度，增加了响应的准确性。且复合放大器降噪降低了放大器带宽，移除了只对噪声有用而对信号无用的带宽部分，以此来达到降噪的目的。

参考文献：

[1]张正茂，陈锋.光电探测放大器的噪声分析[J].

[2]Jerald Graeme著[美]，赖康生，许祖茂，王晓旭译.光电二极管及其放大电路设计[J].科学出版社.

基金项目：上海市大学生创新创业活动计划项目A1-5701-14-006-08-26