光电二极管前置放大器设计
一种光电探测系统前置放大电路的设计
３ 前置放 大器 的设计
光 电探测 器前 级放 大 电路 的设 计 通常从 两方
∞ ＝ ［ ｆＣ＋ Ｃ） ２ Ａ Ｒ（ Ａ ｆ ］
（） ２
若杂 散 电容很小 ， 《 Ｃ， ‘ ＝Ａ （ 。 ＣＡ 则 Ｉ ） ／ ＲＣ） ： 可见 ， 阻放 大器 的带 宽 比一般 高 阻 抗放 大 器 的 跨 带宽 至少展 宽 了 Ａ 倍 ， 但是 ， 实际 上 Ａ 不 能无 限 制增 大 ， 着 Ａ 的增 大 其 中 杂 散 电容 会 随 之 增 随 大 ， 且为 了增 大 Ａ 必 须要 增 加 放 大 器 的 级数 ， 并 这 样 会增加 附加 相移 ， 引起不 稳定 。 同时 ， 反馈 电
本文采用较小结电容和较快响应时间的国产 光电接收二极管（ Ｉ ） Ｄ ３０ ， ＰＮ Ｇ ３ １Ｙ 其结电容 ５ｐ ， ０Ｆ 暗电流 １０ Ａ， 敏 面直 径 ８ ｍ， ０ｎ 光 ｍ 响应 时 间 ２ ｎ。 ５ ｓ 由于探测器在光导形式下工作 ， 等效为电流源， 光
第０ 第 期 ３卷 １
第３ Ｏ卷第 １ 期 ２ １ 年 ３月 ０２
蠢
Ｊｃ ｌ ＨＥＮＧＤｌ ＡＮＬ ）Ｔ Ｉ ＯＮＧＸＵ Ｎ
Ｖ０． ０ Ｎｏ １ １３ ．
Ｍ８＂ ０１ １２ ２ ．
一
种 光 电探 测 系统 前 置 放大 电路 的设计
薛海 英
（ 北方通 用 电子 集 团有 限公 司微 电子部 苏州 ２５６ ） １ １３
面着手 ：１ 设计合适的电路形式。（ ） （） ２ 选择合适 的器件 。 前置放大器的作用是将光电探测器送来的微
弱 电流信号转换为相应 的电压信号， 所以要求前
置放大器有足够小的噪声 、 当的带宽和一定 的 适
一种微弱光信号前置放大电路设计
来源：华强电子网1 光电检测电路的基本构成光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图1所示。
2 光电二极管的工作模式与等效模型2．1 光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。
一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
2．2 光电二极管的等效电路模型工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。
图中，IL 为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。
由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。
在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
For personal use only in study and research; not for commercial useoo•二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。
许多精密应用领域需要检测光并将之转换为有用的。
光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置、红外高温计和色谱分析仪等系统中。
在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。
而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。
看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。
为了进一步扩展应用前景，单还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面出新的限制。
本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。
首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SPE模拟程序，它会很形象地说明电路原理。
以上两步是完成设计过程的开始。
第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。
1 光检测电路的基本组成和工作原理设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。
这种方式的单电源电路示于图1中。
在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。
光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。
由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻。
输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。
图中的放大系统将电流转换为电压，即VOUT = ISC ×RF （1）图1 单光电二极管检测电路式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。
图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案目录一、内容描述 (2)二、光电二极管基本知识 (3)1. 光电二极管的工作原理 (4)2. 光电二极管的特性与参数 (4)三、光电二极管检测电路的工作原理 (6)1. 光电检测电路的基本概念 (7)2. 光电检测电路的工作原理详解 (7)四、设计方案 (9)1. 设计目标及要求 (10)2. 电路设计 (11)（1）电路拓扑结构 (12)（2）元器件选择与参数设计 (13)3. 信号处理与放大电路 (15)（1）信号输入与处理电路 (16)（2）信号放大电路 (17)4. 电源及辅助电路设计 (18)（1）电源电路设计 (20)（2）保护及指示电路设计 (21)五、实验验证与优化 (22)1. 实验设备与工具准备 (23)2. 实验操作流程及步骤说明 (24)3. 数据记录与分析处理 (25)4. 电路性能评估与优化建议 (26)六、实际应用场景及推广价值 (27)1. 实际应用场景分析 (28)2. 推广价值及市场前景展望 (29)七、总结与展望 (30)一、内容描述光电二极管检测电路是一种基于光电效应工作的电子检测电路，主要用于检测光信号的强度或光照度。
该电路通过光电二极管将光信号转换为电信号，进而实现对光信号的测量、监控和控制。
本文将详细介绍光电二极管检测电路的工作原理及设计方案。
在光电二极管检测电路中，光电二极管作为核心元件，其工作原理主要基于光电效应。
当光线照射到光电二极管时，光子能量被材料中的电子吸收，从而使电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生光生电流。
通过测量光生电流的大小，可以反映光照度的强弱。
根据不同的应用场景和需求，光电二极管检测电路的设计方案也有所不同。
常见的设计方案包括：直接测量法：通过测量光电二极管产生的光生电流来直接反映光照度。
这种方法简单直观，但受限于光电二极管的响应速度和灵敏度，适用于低光照度测量。
信号放大法：通过对光电二极管产生的光生电流进行放大处理，可以提高测量灵敏度和精度。
光电二极管及其放大电路设计
光电二极管及其放大电路设计引言：光电二极管作为一种常见的光电转换元件，具有灵敏度高、响应速度快等优点，在光电传感、光通信等领域得到广泛应用。
本文将介绍光电二极管的原理和特性，并详细说明光电二极管放大电路的设计过程。
一、光电二极管的原理和特性光电二极管是一种PN结构的半导体器件，其工作原理基于内部光电效应。
当光照射到PN结上时，光子激发了半导体材料中的载流子，使得PN结两侧形成电势差，从而产生电流。
光电二极管的响应频率范围广泛，从红外到紫外均可覆盖。
光电二极管具有以下特性：1. 高灵敏度：光电二极管能够转换光信号为电信号，其灵敏度高于一般的光敏元件。
2. 快速响应：光电二极管的响应速度快，能够实现高频率的光信号检测和转换。
3. 低噪声：光电二极管的噪声水平较低，能够提供较为清晰的信号输出。
4. 宽波长范围：光电二极管的响应波长范围广，可用于各种光学应用。
二、光电二极管放大电路设计为了提高光电二极管的信号输出，常常需要设计放大电路来增强信号的幅度和稳定性。
以下将介绍光电二极管放大电路的设计步骤。
1. 选择适当的放大电路类型根据应用需求和光电二极管的特性，可以选择不同类型的放大电路，如共射放大电路、共基放大电路和共集放大电路等。
其中，共射放大电路是最常用的一种，具有较高的电流增益和输入阻抗。
2. 确定电路元件参数根据光电二极管的特性和输入信号的要求，确定放大电路的电路参数，如电阻、电容和功率源等。
通过计算和仿真，可以获得最佳的电路参数组合。
3. 进行电路布局和连接根据电路设计原理，进行电路布局和元件连接。
要注意保持电路的简洁和稳定，避免干扰和噪声。
4. 进行电路测试和优化完成电路布局和连接后，进行电路测试和优化。
可以通过示波器和信号发生器等设备，观察光电二极管输出信号的波形和幅度，并对电路进行调整和优化。
5. 确定电路的工作点和稳定性在电路测试和优化后，需要确定电路的工作点和稳定性。
通过调整偏置电压和电流，使得电路在正常工作范围内，输出稳定的放大信号。
光电转换及前置放大电路研究
光电转化器件
PIN光电二极管结构
光电二极管输出特性曲线
Hale Waihona Puke 光电转化器件• 光电二极管的灵敏度
显然，当波长为λ的辐射光作用在光电二极管上时，其电流灵敏度是与材 料有关的常数，表明光电二极管的光电转换特性的线性关系。因为电流灵敏 度与入射波长兄的关系是复杂的，因此在定义光电二极管的电流灵敏度时， 通常是将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。
光电转换及前置放大电路研究
常用光电检测器件 光电转化电路设计 放大电路设计
常用光电检测器件
• • • • • • • • 光电池(photo-cell) 光电二极管(Photoelectric diode) PIN型光电二极管 雪崩光电二极管(Avalanche photodiode，APD) 光电三极管 光电位置敏感器件 光电倍增管(photo-Multiple Tube，PMT) 光敏电阻(Photo-resistor)
放大电路
前置差分放大电路
差分放大电路对共模信号的抑制能力很 强，用在光电信号检测采集系统中能够 很好的减小器件暗电流和外界环境温度 变化给电路带来的影响和误差。
放大电路——温度补偿
当温度变化时，Ur有变化趋势。设|Ur|因温度变化而增加，则Ue为正，通过运 放A。的反向输入端将Ue调小，驱动电流随之减小，从而|Ur|的增加被制。电路 中的C1和C2是为了消除环境干扰和运放噪声引起的驱动电流波动。
• 光谱响应曲线
1.33um
常 见 材 料 光 谱 响 应
光电转化器件
• 响应时间
dr RC p
渡越时间 RC网络延迟时间 扩散时间
dr W / vd
RC (Ri RL )C j
光电探测器前置放大电路设计概要
光电探测器前置放大电路设计概要上海光学精密机械研究所李国扬此处的光电探测器，指的是将光功率转化为电流的二极管结构光电转换器件。
有人认为光电探测器的应用很简单，将光电二极管的输出电流用一个电阻进行取样，就得到了电压，该电压可经过AD转换电路进行数字化处理。
一个简单的光电探测器应用电路如下图所示：实际上，没有如上图一样简单。
首先，上图中的光电探测器会产生一个暗电流，这个暗电流有可能会大到可以和信号电流比拟；其次，取样电阻会产生热噪声，而电阻值越大，噪声也越大。
并且，10mV 的信号电压未必足够大。
而在光电流大小一定的情况下要提高信号电压，就需要增大取样电阻，取样电阻变大，又会增大噪声，这是一对矛盾。
进一步分析，光电探测器的PN结有一个结电容，这个结电容和取样电阻形成一个RC充电回路，RC值的大小决定了光电探测器的响应速度。
对于一个给定探测器，C 值是随着VCC电压值变化而变化的。
电容值随VCC变化典型曲线如下图。
当VCC值不稳时（如用噪声大的开关电源给探测器做偏压），就会使结电容不稳，结电容的大小会影响响应度；这样，VCC的噪声会通过改变结电容的大小而转化成信号的噪声。
确定了探测器种类和VCC后，C值就固定了，此时，减小R值可以减小响应时间，增大响应带宽；但是，减小R值又会减小响应幅度。
这又是一对矛盾。
对于探测微弱信号而言，需要一个比较大的取样电阻，而取样电阻如果很大，对于后级电路来说，相当于一个大的输出阻抗，这对后级电路的处理带来了困难。
如下图所示意，如果后级电路的输入电阻为1M欧，那么信号电压只有一半被后级放大器提取，所以，要求后级电路有很大的输入阻抗，才能尽可能多的提取信号能量。
到了这里，您可能会说，是否可以选择一种光电探测器，使它能够对光信号更为敏感，也就是说，单位光功率可以得到更大一些的光电流，这样就减轻了电路的压力。
是的，有响应更大的器件。
但是，增大光电响应度，在半导体工艺上需要增大光敏面积，而增大光敏面积的一个伴生效应是增大结电容。
具有暗电流补偿功能的2 MHz带宽PIN光电二极管前置放大器
f (45) =
65 MHz f CR = 2π × RF × C IN 2π × 24.9 kΩ × 11.6 pF
= 5.7 MHz
由于可实现的最大带宽大于所需带宽，AD8065非常适合本 应用，这多数要归功于其较大的fCR和CIN之比。
I PHOTO × RF 1 + sC F RF
Rev. A | Page 2 of 8
10599-002
VB
0.1µF
RF
CN-0272
RF和CIN在放大器的环路传递函数中产生一个极点，它可能 会导致峰化和电路不稳定(见图3)。增加CF可以在环路的传 递函数中创建一个零点，它能补偿上述极点的影响并降低 信号带宽。
f1 =
1 * 2πR F(CF + CIN) 1 *IF (CIN) >> CF, THEN CF CAN BE OMITTED
ADC选型
由于放大器的噪声输出量(即能够解析出来的最大位数)可 通过将满量程输出除以均方根噪声算得：
Total RMS LSBs = 5 V/67 µV = 74,627
CF =
11.6 pF C IN = 2π × RF × f CR 2π × 24.9 kΩ × 65 MHz
= 1.1 pF
由于所需的3.3 pF高于1.1 pF的最小值，而通过增加电容值 便可增加相位裕量，因此系统稳定。
电路功能与优势
图 1所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有 暗电流补偿功能。系统转换来自高速硅 PIN光电二极管的 电流，并驱动20 MSPS模数转换器(ADC)的输入。该器件组 合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流 敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。信号调理电 路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、 高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。
基于光电雪崩二极管电荷灵敏前置放大器的研制_侯铁钢
基于光电雪崩二极管电荷灵敏前置放大器的研制*侯铁钢1李元东1邱腾1陈健2陈小兰1（1、成都理工大学地学核技术四川省重点实验室，四川成都6100002、成都工业学院电气工程学院，四川成都610051）光电雪崩二极管是一种新型光电转换器件，具有体积小、内置增益大、量子效率高、光谱响应范围宽和功耗低等优点，适合应用于伽马能谱测量等核仪器中。
在核仪器中，为减小探测器输出端到输入端之间分布电容的影响，须采用前置放大器对信号作初步放大。
电荷灵敏放大器具有增益稳定、噪声低和性能良好等优点，广泛应用于高分辨能谱测量系统中。
文章针对光电雪崩二极管，设计了与其匹配的低噪声折叠型电荷灵敏前置放大器，并对PCB板进行了较细致的布局，进一步提高了放大器的信噪比。
由测试结果可知，该电荷灵敏前置放大器适合应用于伽马能谱测量系统。
1电路设计文章设计的电荷灵敏前置放大器采用电阻放电-交流耦合，其内部放大结构采用典型的折叠式结构。
1.1JFET的选择在选用电荷灵敏前置放大器的第一级JFET时，不仅须要考虑JFET自身的漏电流I d、共源输入电容Ciss、低频跨导Gm和等效噪声等参数以外，还须要考虑与前端探测器的阻容匹配问题。
当探测器自身等效电容与前放第一级JFET的Ciss相等时，可获得最佳信噪比。
因此，对于小电容探测器，可选用2N4416或2SK152等型号的JFET；对于大电容探测器，可选用2N6550或2SK147等型号的JFET，也可选择多个JFET并联使用。
本设计中探测器的输出电容源于S8664-1010型光电雪崩二极管，当偏压设置为350V时，结电容约为270pF。
通过以上JFET选型要求可知，当且仅当JFET的输入电容Ciss与光电雪崩二极管输出电容相等时，方能获得最佳信噪比。
由表1知，2SK147不仅低频跨导最大，漏电流较小，而且Ciss最大，选用两个2SK147并联作为电荷灵敏前置放大器第一级JFET时，电荷灵敏前置放大器的输入电容约为300pF，与270pF最为接近。
光电二极管检测电路的工作原理及设计措施
光电二极管检测电路的工作原理及设计措施光电二极管的光电效应是指当光线照射到光电二极管的PN结时，光子能量会导致PN结电场的变化，进而导致电流的改变。
根据该原理，光电二极管检测电路的设计应包括光电二极管的电路连接、前置放大电路、滤波电路和输出电路。
首先，光电二极管的电路连接应考虑到光电二极管的极性。
光电二极管有正负两个电极，其中负极为阴极，阳极为正极。
在连接电路时，应使阴极接入地线，阳极接入电路的输入端。
接下来，前置放大电路是为了放大光电二极管的输出信号。
一般可以采用运算放大器作为前置放大电路的核心部件。
运算放大器的正极接入电路的输出端，负极接入电路的输入端，通过调整放大电路的放大倍数，可以对光电二极管的输出信号进行放大。
为了减少干扰信号的影响，需要在光电二极管检测电路中设置滤波电路。
滤波电路可以选择低通滤波器或带通滤波器，根据实际需要选择合适的滤波频率。
滤波电路可以有效地排除电器干扰信号和高频干扰信号，提高光电二极管检测电路的信噪比。
最后，输出电路是将检测到的光信号转化为需要的输出结果的部分。
输出电路的设计可以根据具体应用场景的需求来确定，可以是显示、控制、报警等功能。
输出电路可以通过电压比较器、时钟电路等实现，以便于实现对光信号的处理和控制。
在设计光电二极管检测电路时，需要注意以下几个方面的设计措施。
首先，对于光电二极管的波长特性，应选择合适的光电二极管，使其能够高效地转换光信号。
其次，对于传输线路的设计应尽量缩短其长度，以减小传输过程中的干扰。
同时，还需要考虑光电二极管的工作环境和周围光源的影响，避免产生误差。
此外，还应注意光电二极管的偏置电路的设计，使其能够稳定地工作。
最后，光电二极管检测电路的布局应合理安排，尽量减小电线的交叉和干扰。
在设计时需要考虑到信号的传输和接收的距离，以及与其他电路的干扰。
总之，光电二极管检测电路是一种能够将光信号转化为电信号并进行处理的电路。
在设计中需要考虑光电二极管的电路连接、前置放大电路、滤波电路和输出电路，并采取相应的设计措施以确保电路的正常工作。
一种光电烟支检测器前置放大电路的设计
一种光电烟支检测器前置放大电路的设计摘要】光电烟支检测器是一种在线烟支检测设备，在烟支质量控制方面发挥了重要作用。
前置放大电路是其中关键电路之一。
本文重点介绍了前置放大电路的噪声来源，并就如何降低噪声干扰做了分析。
【关键词】前置放大电路；噪声分析０绪论光电烟支检测器可以在线检测并剔除不合格的烟支，在烟支质量控制上发挥着极为重要的作用。
采用光电检测的方式可以实现非接触、高速、精确检测，非常适用于高速卷接机组。
前置放大电路是光电烟支检测器电路中关键电路之一，它的作用是先进行光电转换，将烟丝端散射出的光信号转换为电信号，再将电信号放大送到后级电路处理，作为整个电路的“眼睛”，它的性能好坏直接关系到整个系统的性能好坏。
１前置放大电路噪声分析烟支检测器中光电转换器件采用的是光电二极管，经光电二极管转换的电信号相当微弱，很容易受到噪声的干扰，所以在设计该部分电路时要尽量减小噪声，提高信噪比和检测分辨率。
噪声源主要来自3个方面，一是光电管，二是前置放大器，三是外部噪声。
１．１光电二极管的噪声光电二极管的光电流一般为nA至μA级，其主要噪声是热噪声和散粒噪声。
１.1.1热噪声热噪声是导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生的随机涨落电压，它是电阻性电路器件的共性噪声。
噪声电压均方值取决于材料的温度，电阻及噪声等效带宽，一般关系式为:UT2=4KT■R（ｆ）ｄｆ（1）式中，K是波尔兹曼常数，T是材料的绝对温度，R（f）表示光电检测电路中总电阻随频率的变化关系。
在纯电阻的简单情况下，R与频谱无关，上式变为:UT2=4KTRΔf,在温度一定时，热噪声只与电阻和噪声等效带宽Δf有关；当温度为T=300K,KT=4.14×10-21J，电阻的噪声电压和电流有效值变为：UT＝■＝1.29■×10－10J■IT=1.29■×10－10J■可以看出电阻R是主要的热噪声源，在R不变的情况下减小T和Δf的值可以减小噪声。
光电二极管放大电路设计
光电二极管放大电路设计
光电二极管放大电路是一种常见的电子电路，用于将光信号转化为电信号并放大。
它由光电二极管和放大电路组成。
光电二极管是一种特殊的二极管，能够将光能转化为电能。
放大电路则起到放大电信号的作用，使光电二极管输出的微弱电信号得以放大，从而实现信号的传输和处理。
在设计光电二极管放大电路时，首先需要选择适合的光电二极管和放大电路元件。
光电二极管的选择应考虑其灵敏度、响应速度和波长范围等参数。
常见的光电二极管有硅光电二极管和光电二极管阵列等。
放大电路的选择应根据需求确定放大倍数和频率响应等因素，常用的放大电路有共射放大电路、共基放大电路和共集放大电路等。
在设计过程中，需要注意光电二极管的极性和放大电路的连接方式。
光电二极管一般有两个引脚，其中一个是阳极，一个是阴极。
在连接时，应保证阳极连接到正极，阴极连接到负极，否则将无法正常工作。
放大电路的连接方式则取决于具体的放大电路类型，需要按照电路图进行正确的连接。
为了增强光电二极管放大电路的性能，还可以采取一些优化措施。
例如，可以使用滤波电路来滤除噪声信号，提高信号的纯净度。
可以使用反馈电路来稳定放大电路的工作状态，减小非线性失真。
还可以使用调节电路来控制放大倍数，以适应不同的实际需求。
光电二极管放大电路是一种重要的电子电路，可以将光信号转化为电信号并放大。
设计时需要选择合适的光电二极管和放大电路元件，并注意极性和连接方式。
通过优化措施可以进一步提高电路的性能。
在实际应用中，光电二极管放大电路广泛用于光通信、光测量、光电转换等领域，发挥着重要的作用。
创新光电二极管前置放大电路设计方法
创新光电二极管前置放大电路设计方法嘿，朋友！你知道吗，创新光电二极管前置放大电路设计方法，那可真是太神奇啦！就好比是在黑暗中找到了一盏明灯，指引着我们走向更清晰、更锐利的光电世界。
比如说吧，我们平时拍照，要是没有好的光电二极管前置放大电路设计，那拍出来的照片可能就会模糊不清，这多让人郁闷啊！而创新的设计方法呢，就像是给相机注入了神奇的魔力，能让照片变得超级清晰，哇塞，那感觉简直太棒了！
想想看，以前的那些传统设计方法，是不是有时候会让你觉得不够给力呀？但现在不一样了，创新的力量来了！它就像是一阵春风，吹走了陈旧的气息，带来了勃勃的生机。
咱再比方说，在一些高科技设备里，如果没有先进的光电二极管前置放大电路设计，那设备的性能可就大打折扣了。
而有了创新的设计，就如同给这些设备装上了翅膀，让它们能在科技的天空中自由翱翔！
所以说呀，创新光电二极管前置放大电路设计方法真的超级重要！它能让我们看到更美好的世界，享受到更精彩的科技成果！那我们还有什么理由不去积极探索和努力创新呢？让我们一起加油吧！。
光电二极管放大电路工作原理
光电二极管放大电路工作原理在用于光检测的固态检波器中，光电二极管仍然是基本选择。
光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。
其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。
设计过程中，经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。
响应度是检波器输出与检波器输入的比率，是光电二极管的关键参数。
其单位为A/W 或V/W。
前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。
光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导（图2）。
图3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过“零偏压”光电二极管实现的。
在此配置中，光电二极管发现输出间存在短路，按照公式3 （Isc =Ilight），基本上不存在“暗”电流。
光电二极管暴露在光线下且使用图2c 的电路时，电流将流到运算放大器的反相节点，如图 3 所示。
若负载（RL）为0 Ω且VOUT = 0 V，则理论上光电二极管会出现短路。
实际上，这两种状况都绝对不会出现。
RL 等于Rf/Aopen_loop_Gain，而VOUT 是放大器反馈配置施加的虚拟地。
图4所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有暗电流补偿功能。
系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器（ADC）的输入。
该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。
信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。
光电二极管工作时采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光导）模式。
光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。
在反向偏置条件下，存在少量的电流（称为暗电流），它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。
可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图4所示。
基于光电雪崩二极管电荷灵敏前置放大器的研制
基于光电雪崩二极管电荷灵敏前置放大器的研制采用交流耦合-阻容反馈式折叠型的结构，设计了一款基于光电雪崩二极管的电荷灵敏前置放大器，包括缓冲跟随器、电流型程控衰减器、高速线性放大器、程控极性转换、程控直流偏移电路、抗混叠RC电路等。
经测试，该放大器的零电容噪声为2599e-，噪声斜率为24e-/pF。
标签：雪崩二极管；电荷灵敏前置放大器；信噪比；灵敏度光电雪崩二极管是一种新型光电转换器件，具有体积小、内置增益大、量子效率高、光谱响应范围宽和功耗低等优点，适合应用于伽马能谱测量等核仪器中。
在核仪器中，为减小探测器输出端到输入端之间分布电容的影响，须采用前置放大器对信号作初步放大。
电荷灵敏放大器具有增益稳定、噪声低和性能良好等优点，广泛应用于高分辨能谱测量系统中。
文章针对光电雪崩二极管，设计了与其匹配的低噪声折叠型电荷灵敏前置放大器，并对PCB板进行了较细致的布局，进一步提高了放大器的信噪比。
由测试结果可知，该电荷灵敏前置放大器适合应用于伽马能谱测量系统。
1 电路设计文章设计的电荷灵敏前置放大器采用电阻放电-交流耦合，其内部放大结构采用典型的折叠式结构。
1.1 JFET的选择在选用电荷灵敏前置放大器的第一级JFET时，不仅须要考虑JFET自身的漏电流Id、共源输入电容Ciss、低频跨导Gm和等效噪声等参数以外，还须要考虑与前端探测器的阻容匹配问题。
当探测器自身等效电容与前放第一级JFET的Ciss相等时，可获得最佳信噪比。
因此，对于小电容探测器，可选用2N4416或2SK152等型号的JFET；对于大电容探测器，可选用2N6550或2SK147等型号的JFET，也可选择多个JFET并联使用。
本设计中探测器的输出电容源于S8664-1010型光电雪崩二极管，当偏压设置为350V时，结电容约为270pF。
通过以上JFET选型要求可知，当且仅当JFET 的输入电容Ciss与光电雪崩二极管输出电容相等时，方能获得最佳信噪比。
光电二极管前置放大器设计
光电二极管前置放大器设计
佚名
【期刊名称】《世界电子元器件》
【年(卷),期】2000(000)012
【摘要】许多常用传感器的输出阻抗超过几兆欧,因此,其相应的信号调理电路必须仔细设计,以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求。
本文分析介绍光电二极管前置放大器,文中讨论了与高阻抗传感器信号调理电路有关的问题,并提供了实际解决方案。
【总页数】4页(P37-40)
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.71
【相关文献】
1.硅光电二极管与电荷灵敏前置放大器在中微子实验中的设计应用研究 [J], 张志勇;刘正山;程昶;李金;刘延;石峰;王子敬
2.带有前置放大器的InGaAs/GaAs PIN光电二极管 [J],
3.高速光电二极管前置放大器的使用初探 [J], 韦小芬
4.高速光电二极管前置放大器的使用 [J], 刘文来
5.HL-2M装置软X射线阵列系统前置放大器设计 [J], 董云波;刘仪;付炳忠;高金明;董冠岐;邓玮
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
光电二极管及其放大电路设计
光电二极管及其放大电路设计引言：光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。
光电二极管通过光电效应实现光信号的转换，而放大电路则能够对光电二极管输出的微弱信号进行放大，提高信号的可靠性和稳定性。
本文将介绍光电二极管的基本原理和构造，并探讨光电二极管放大电路的设计。
一、光电二极管的基本原理光电二极管是一种基于光电效应工作的半导体器件，它的工作原理与普通二极管类似。
当光照射到光电二极管的PN结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，产生电流。
这种光电效应使得光电二极管能够将光信号转换为电信号。
二、光电二极管的构造光电二极管由PN结和外部电路组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，形成了一个具有电势垒的界面。
当光照射到PN 结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，形成电流。
外部电路则用于接收和处理光电二极管输出的电信号。
三、光电二极管的放大电路设计为了提高光电二极管输出信号的可靠性和稳定性，常常需要设计放大电路对其进行放大。
光电二极管放大电路主要包括前端放大电路和后端放大电路。
1. 前端放大电路前端放大电路主要用于对光电二极管输出的微弱电信号进行放大和滤波，以提高信号的强度和稳定性。
常用的前端放大电路有共基极放大电路、共射极放大电路和共集电极放大电路等。
这些放大电路能够将光电二极管输出的微弱信号放大到适合后续处理的幅度。
2. 后端放大电路后端放大电路主要用于进一步放大前端放大电路输出的信号，并进行滤波和调理，使得信号能够更好地适应后续电路的要求。
常用的后端放大电路有差动放大电路、共模放大电路和运放放大电路等。
这些放大电路能够进一步放大信号，并对其进行滤波、放大和调理，以满足特定的应用需求。
四、光电二极管及其放大电路的应用光电二极管及其放大电路广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。
在光电转换领域，光电二极管可用于测量光强、光功率、光谱等参数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光电二极管前置放大器设计
许多常用传感器的输出阻抗超过几兆欧，因此，其相应的信号调理电路必须仔细设计，以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求。
本文分析介绍光电二极管前置放大器，文中讨论了与高阻抗传感器信号调理电路有关的问题，并提供了实际解决方案。
光电二极管前置放大器设计
光电二极管在受到光照时，会产生一个与照度成正比的小电流，因此是很好的光电传感器，可广泛应用于精密光度计、高速光纤接收器等领域。
光电二极管的等效电路如图1所示。
光电二极管灵敏度的标准规定方法之一是对来自严格定义的光源给定的光强确定它的短路电流ISC。
最常用的光源是工作在2 850K色温下的白炽钨灯。
在100fc(呎-烛光)照度(相当于阴天的光强)下，对于小面积(小于1mm2)二极管的短路电流通常是数皮安(pA)到数百微安(μA)。
短路电流在6~9个数量级的光强范围呈理想线性变化，因此常被用作绝对光强的测量。
光电二极管两端的开路电压随光强呈对数变化，但因为其温度系数很大，所以二极管电压很少用于光强的精密测量。
分路电阻RSH在室温下通常是1000MΩ左右，且温度每增加10 ℃就减少1/2。
二极管电容CJ随结面积和二极管偏压而变化，对于结面积很小的二极管，零偏压时的典型CJ是50pF。
光电二极管可以以两种模式工作，一是零偏置工作(光伏模式,如图2a)，一是反偏置工作(光导模式,如图2b)。
在光伏模式时，光电二极管可非常精确地线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲线性。
在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流，叫做暗电流(无照电流)。
在零偏置时则没有暗电流，这时二极管噪声基本上是分路电阻产生的热噪声。
在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
在设计光电二极管过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的，而不是两种模式的使用都是最优化。
将光电二极管电流转换为可用电压的简便方法,是用一个运算放大器作为电流——电压转换器(如图3所示)。
二极管偏置由运算放大器的虚地维持在零电压，短路电流即被转换为电压。
在最高灵敏度时，该放大器必须能检测30pA的二极管电流。
这意味着反馈电阻必须非常大，而放大器偏置电流必须极小。
例如，对于30pA的偏置电流，1000MΩ反馈电阻将产生30mV的相应电压。
因为再大的电阻是不切实际的，所以对于最高灵敏度的情况使用1000MΩ。
这样对于10pA的二极管电流，放大器将给出10mV输出电压；而对于10nA的二极管电流，输出电压为10V。
这样便给出60dB的动态范围。
对于更大的光强值，必须使用较小的反馈电阻来降低电路增益。
对于这个最高灵敏度范围，我们应能很容易区分无月夜的光强(0.001fc)和满月夜的光强(0.1fc)。
注意，为了要获得最大的信噪比(SNR)，我们应当选择从一级电路而不是两级电路的级联来获得尽可能高的增益。
如果我们将反馈电阻减小为原来的一半，则信号强度则降为原来的1/2，而反馈电阻产生的噪声√4KTR·带宽仅降低√2倍。
假定闭环带宽保持不变，这将使SNR减小3dB。
在下面的分析中，我们将看到电阻是对总输出噪声影响最大的因素之一。
要精确测量数10pA范围的光电二极管电流，运算放大器的偏置电流不应大于数皮安，这就大大缩小了选择的余地。
工业标准的OP07是一种超低失调电压（10μV）的双极型运算放大器，但是其偏置电流达4nA（4000pA）。
尽管带偏置电流补偿的超双极型运算放大器（例如OP97），在室温下的偏置电流大约有100 pA，但是因为它不象FET那样温度每升高10℃偏置电流就增加一倍，所以对于很高温度下的应用很合适。
我们选择带FET输入的“静电计级”运算放大器作为光电二极管前置放大器，因为它必须只工作在指定的温度范围内。
这类器件采用BiFET工艺制造，使用P沟道结型场效应晶体管JFET作为输入级（参见图4）。
运算放大器电路的其余部分使用双极型运算放大器设计。
为使失调电压和失调电压漂移减至最小，Bi FET运算放大器在芯片工艺中采用了激光微调技术。
失调电压漂移通过下列调整过程减至最小：首先微调输入级，使构成一对差动电路的两个JFET中的电流相等；然后，微调JFET源电阻，将输入失调电压减至最小。
选择AD795作为光电二极管前置放大器，其主要性能如下：
·失调电压：在25℃时，最大为250μV（K 级）
·失调电压漂移：最大为3μV/℃（K级）
·输入偏置电流：在25℃时，最大为1pA （K级）
·0.1～10Hz 电压噪声：2.5μVp-p
·1/f 转折频率：12Hz
·电压噪声：在100Hz处为10nV/ √Hz
·电流噪声：在100Hz处为0.6fA/ √Hz
·在±15V时的功耗为40mW
·增益带宽乘积1MHz
因为二极管电流以pA为单位测量的，所以必须特别注意实际电路中潜在的泄漏路径。
对于高质量、清洁的环氧树脂印制电路板上的两条相距0.05英寸的平行导线，在125℃时1英寸长的平行布线的漏电阻约为1011欧姆，如果在它们间存在15V的电压，便会有150 pA的电流流过。
光电二极管的主要泄漏路径如图5中的虚线所框。
反馈电阻应采用有玻璃绝缘的陶瓷电阻或玻璃上的薄膜电阻。
跨接在反馈电阻两端的补偿电容器应具有聚丙烯或聚苯乙烯介质。
与汇合结点的所有连线应足够短。
如果用电缆将光电二极管和前置放大器相连接，则电缆应尽量短且用聚四氟乙烯绝缘。
通过将放大器的输入与印制电路板上的大电压梯度进行隔离的防护方法，可以减少寄生泄漏电流。
实际上，防护方法就是在输入线周围并上升到线路电压的低阻抗导线。
它通过将泄漏电流转移到远离灵敏结点处而对泄漏电容起缓冲作用。
究竟采用哪种保护技术取决于工作方式,即反相或同相方式。
图6示出一种用来保护DIP(“N”型)封装的ADF95运算放大器输入的印制电路板布置。
应该注意到,这种封装的引脚间隔允许布线在引脚之间通过。
在反相工作方式下,保护印制线围绕倒相输入(引脚2),且走向与输入印制线平行,在跟随器工作方式下,保护电压是到倒相输入引脚2的反锁电压。
在两种工作方式下,保护印制线应尽可能处在印制电路板的两侧并连在一起。
将保护技术用于SOIC表面要装(“R”)封装时,由于引脚的间隔不允许在引脚之间容纳印制电路的宽印制线,所以情况要稍微复杂一些。
图7示出一种优选的方法。
在SOIC“R”封装中,引脚1、引脚5和引脚8是“不连接”引脚,可用于信号路径印制线(如图所示)。
在跟随器的情况下,保护印制线必须绕过-Vs引脚。
对于偏流极小的应用场合(如利用输入偏流为100fA的AD549的场合),所有与该运算放大器输入端的连线都应接到没有玷污过的聚四氟乙烯隔离绝缘子上(“没有玷污过的”聚四氟乙烯是指已加工成形但未玷污上粉末或颗粒灰尘的一块洁净的固体聚四氟乙烯材料)。
如果从机械加工和制造考虑允许的话,则运算放大器的反相输入端应直接焊到聚四氟乙烯隔离绝缘子上(见图8),而不穿过印制电路板上的通孔。
印制电路板本身需仔细清洁,然后用优质涂覆材料加以密封,防止湿气和灰尘侵入。
除将泄漏电流减至最小之外,整个电路应当用接地金属屏进行良好屏蔽,以防接收杂散信号。
前置放大器的失调电压和漂移分析
图9示出光电二极管前置放大器的失调电压和偏流模型。
在这个电路中有两点重要考虑。
首先,二极管分流电阻(R1)随温度而变—每当温度升高10℃时,其阻值便减小一半。
在室温(+25℃)下,R1=1000MΩ,而在+70℃时R1便减小到43MΩ。
这对电路的直流噪声增益,因而对输出失调电压带来巨大影响。
例如,在+25℃时直流噪声增益是2,而在+70℃时噪声增益便增大到24。
电路性能
图10是光电二极管电路的优化设计图。
电路主要性能如下：
● 输出失调误差(在0~70 )：33mV
● 输出灵敏度：1mV/pA
● 输出光电灵敏度：36V/foot-candle
● 在25 时总输出噪声：28.5 V RMS
● 在25 时总噪声RTI：44fA RMS,或26.4pA p-p
● R2＝1000M 时照度范围：0.001~0.33foot-candle
● 带宽：16Hz。