光電二極管及其相關(guān)的前置放大器是基本物理量和電子量之間的橋梁。許多精密應(yīng)用領(lǐng)域需要檢測(cè)光亮度并將之轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)字信號(hào)。光檢測(cè)電路" title="光檢測(cè)電路">光檢測(cè)電路可用于CT掃描儀、血液分析儀、煙霧檢測(cè)器、位置傳感器、紅外高溫計(jì)和色譜分析儀等系統(tǒng)中。在這些電路中,光電二極管產(chǎn)生一個(gè)與照明度成比例的微弱電流。而前置放大器將光電二極管傳感器的電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用的電壓信號(hào)。看起來好象用一個(gè)光電二極管、一個(gè)放大器和一個(gè)電阻便能輕易地實(shí)現(xiàn)簡單的電流至電壓的轉(zhuǎn)換,但這種應(yīng)用電路卻提出了一個(gè)問題的多個(gè)側(cè)面。為了進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用前景,單電源電路還在電路的運(yùn)行、穩(wěn)定性" title="穩(wěn)定性">穩(wěn)定性及噪聲處理方面顯示出新的限制。
本文將分析并通過模擬驗(yàn)證這種典型應(yīng)用電路的穩(wěn)定性及噪聲性能。首先探討電路工作原理,然后如果讀者有機(jī)會(huì)的話,可以運(yùn)行一個(gè)SPICE模擬" title="SPICE模擬">SPICE模擬程序,它會(huì)很形象地說明電路原理。以上兩步是完成設(shè)計(jì)過程的開始。第三步也是最重要的一步（本文未作討論）是制作實(shí)驗(yàn)?zāi)M板。
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1 光檢測(cè)電路的基本組成和工作原理 設(shè)計(jì)一個(gè)精密的光檢測(cè)電路最常用的方法是將一個(gè)光電二極管跨接在一個(gè)CMOS輸入放大器的輸入端和反饋環(huán)路的電阻之間。這種方式的單電源電路示于圖1中。 在該電路中,光電二極管工作于光致電壓（零偏置）方式。光電二極管上的入射光使之產(chǎn)生的電流ISC從負(fù)極流至正極,如圖中所示。由于CMOS放大器反相輸入端的輸入阻抗非常高,二極管產(chǎn)生的電流將流過反饋電阻RF。輸出電壓會(huì)隨著電阻RF兩端的壓降而變化。 圖中的放大系統(tǒng)將電流轉(zhuǎn)換為電壓,即 VOUT = ISC ×RF （1） |
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圖1 單電源光電二極管檢測(cè)電路
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2.2 運(yùn)放的SPICE模型 運(yùn)算放大器具有范圍較寬的技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù),它對(duì)光檢測(cè)電路的穩(wěn)定性和噪聲性能影響很少。其主要參數(shù)示于圖3的模型中,它包括一個(gè)噪聲源電壓、每個(gè)輸入端的寄生共模電容、輸入端之間的寄生電容及與頻率有關(guān)的開環(huán)增益。 輸入差分電容CDIFF和輸入共模電容CCM是直接影響電路穩(wěn)定性和噪聲性能的寄生電容。這些寄生電容在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常規(guī)定為典型值,基本不隨時(shí)間和溫度變化。 另一個(gè)涉及到輸入性能的是噪聲電壓,該參數(shù)可模擬為運(yùn)放同相輸入端的噪聲源。此噪聲源為放大器產(chǎn)生的所有噪聲的等效值。利用此噪聲源可建立放大器的全部頻譜模型,包括1/f噪聲或閃爍噪聲以及寬帶噪聲。討論中假設(shè)采用CMOS輸入放大器,則輸入電流噪聲的影響可忽略不計(jì)。 |
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圖3 非理想的運(yùn)放模型
在同一個(gè)圖中,1/b 曲線以零dB開始隨頻率變化。1/b 隨著頻率的增加保持平滑,直到曲線末尾有一個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生,曲線便開始衰減20dB/10倍頻程。
圖（a）中令人感興趣的一點(diǎn)就是AOL（jw ）曲線和1/b 曲線的交點(diǎn)。兩條曲線交點(diǎn)的斜率示出了系統(tǒng)的相位容限,也預(yù)示著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在圖中,交點(diǎn)斜率為－20dB/10倍頻程。在這種情況下,放大器將提供－90° 的相移,而反饋系數(shù)則提供零度相移。相移和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均由兩條曲線的交點(diǎn)決定。1/b 相移和AOL（jw ）相移相加,系統(tǒng)的相移為－90° ,容限為90° 。從理論上說,如果相位容限大于零度,系統(tǒng)是穩(wěn)定的。但實(shí)際應(yīng)用中相位容限至少應(yīng)有45° 才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。
在圖6的（c）中,AOL（jw ）曲線和1/b 曲線的交點(diǎn)表示一個(gè)在一定程度上穩(wěn)定的系統(tǒng)。此點(diǎn) AOL（jw ）曲線正以－20dB/10倍頻程的斜率變化,而1/b 曲線正從20dB/10倍頻程的斜率轉(zhuǎn)換到0dB/10倍頻程的斜率。AOL(jw )曲線的相移為－90° 。1/b 曲線的相移則為－45° 。將這兩個(gè)相移相加后,總的相移為－135° ,即相位容限為45° 。雖然該系統(tǒng)看上去較穩(wěn)定,即相位容限大于0° ,但是電路不可能像計(jì)算或模擬那樣理想化,因?yàn)殡娐钒宕嬖谥纳娙莺碗姼?。結(jié)果,具有這樣大小的相位容限,這個(gè)系統(tǒng)只能是“一定程度上的穩(wěn)定”。
圖6中（b）、（d）均為不穩(wěn)定系統(tǒng)。在（b）圖中,AOL（jw ）以－20dB/10倍頻程的斜率變化。1/b 則以+20dB/10倍頻程的斜率變化。這兩條曲線的閉合斜率為40dB/10倍頻程,表示相移為－180° ,相位容限為0° 。
在（d）圖中,AOL（jw ）以－40dB/10倍頻程的斜率變化。而1/b 以0dB/10倍頻程的斜率變化。兩條曲線的閉合斜率為－40dB/10倍頻程,表示相移為－180° 。
通過模擬可表明使用非理想的光電二極管和運(yùn)放模型會(huì)造成相當(dāng)數(shù)量的振鈴或不穩(wěn)定因素。在頻率域內(nèi)重新進(jìn)行這種模擬會(huì)很快重現(xiàn)這種不穩(wěn)定因素。
系統(tǒng)的不穩(wěn)定性可用兩種方法校正：（1）增加一個(gè)反饋電容CF;（2）改進(jìn)放大器,使其具有差分AOL頻率響應(yīng)或差分輸入電容。
改變反饋電容。系統(tǒng)中影響噪聲增益1/b 頻率響應(yīng)的有光電二極管的寄生電容、運(yùn)放的輸入電容,其阻抗以ZIN表示,放大器反饋環(huán)路的寄生元件,其阻抗以ZF表示。
ZIN = RPD //1/[ jw （CPD+CCM+CDIFF）]
ZF = RF //1/ [jw （CRF+CF）] （3）
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1/b = 1+ZF/ZIN 噪聲增益1/b 曲線的極點(diǎn)、零點(diǎn)如圖7所示。開環(huán)增益頻率響應(yīng)和反饋系數(shù)的倒數(shù)1/b 間的閉合斜率必須小于或等于20dB/10倍頻程。 在圖7中,極零點(diǎn)頻率如下： fP1=1/(2p （RPD//RF）（CPD+CCM+CDIFF+CF+ CRF）） fP2 =1/(2p RS CPD） fZ=1/（2p RF（CF+CRF）） （4） |
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圖7 噪聲增益1/b 曲線的極零點(diǎn)圖
（6）
此時(shí)系統(tǒng)的相位容限將為65° ,而階躍函數(shù)的過沖是5%。用式（6）,CF的值將為
這種保守的方法會(huì)輕微增加系統(tǒng)噪聲。上述兩種結(jié)果均可用模擬程序#7～#10分別對(duì)表1中的MCP601和OPAMP#2進(jìn)行模擬。
4 噪聲分析及其減小
系統(tǒng)的噪聲性能是通過計(jì)算或模擬而推導(dǎo)出來的,它涉及到頻率響應(yīng)中五個(gè)區(qū)域的噪聲和反饋電阻噪聲。這五個(gè)區(qū)域如圖8所示。圖8中將整個(gè)響應(yīng)分成五個(gè)區(qū)域便可容易地計(jì)算出噪聲電壓。每個(gè)區(qū)域內(nèi)的總噪聲等于系統(tǒng)增益（1/b ）乘以放大器噪聲的均方根值。RF的噪聲不乘系統(tǒng)增益。
該系統(tǒng)的噪聲電壓完整計(jì)算如下
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