光电二极管前置放大器设计

通 用 充 器 件卜—— G e n e ra lPu rp o s e C o m Po n e n ts( ) 一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欣 , 因此 ,其相应心信号调理电路必须仔细设计 , 以满足低偏置屯流 、 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 一 :极管在受到光照时 , 会产生一个 与照度 成、厂比的小电流 , 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 管尺敏度的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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玩 。 最常用的光 \\\ 〔〔〕光’“流流 图 1 钻{]变每增加 1 0 亡 R 阳 即减少 l/2 光电二极管等效电路 源是工作在韶50 K 色温下的白炽钨灯 奋 在 100 fc (叹一烛光 ) 照度 (相当于阴天的光强) 下 , 对于 小面积 (小于 lmm 今三极管的短路电流通常是数皮安 〔pA ) 到数百微安 (必)。 短路 电流在 6刃 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 电一 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 丸 , 在室温 一「通常是 1000 M几左 右 , 且温度每增加 10 ℃就减少 1/ 2 。 二极管电容 C 随结而积和 一 极管偏压而变化 , 对于结面积很 小的 几极管 , 零偏压时的典型 C J是 沁诚 。 光电二极管可 以以两种模式工作 , 一是零偏置 主作 (光伏模式 , 如图 Za) , 一是反偏置工作 (光导 模式, 如图 Zb) 。 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 (无照电流沁 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 , 该放大器必领能检侧 3 0P A 的二极管电流 吞 这意味着反馈电阻必须非常丸 而放大器偏置电流 必须极小 。 例如 , 对于 30 PA 的偏置电流 , lo00 M。 反馈电阻将产生 30 m V 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 100 咖。 。 这样对于 lopA 的二极管电流 , 放大器将 给出 loo V 输出电压 : 而对于 10n A 的二极管曳流 , 光伏模式 . 零偏置 . 无 “暗 ”电流 . 线性 . 低噪音 (热噪 声) . 精密应用 光导模式 . 反偏置 . 有 ‘j暗”电流 . 非线性 . 高噪音 (热噪声+ 散粒噪声 ) . 高速应用 图 2 光电二极管工作模式 3 7 世界电子元器件 2000 . 12 通 用 五 器 件 n e ra lP u rPo s e C o m Po n e n ts R = 100 0M 0 泛 = 3 Om V lm V /p A .1 ‘畏专 ! 月月月侧.盆”丹门“理去嘴弃l考4iJ男考、阵为‘卜†钊几‘月居饭j成悦刃灯J卫敬釜相刃胭”峭代叫灵皮峭嗬创洲.5认”、砍们 图 3 电流一电压转换器简化电路 图 4 B IFE T 运算放大器输入级 输出 「川玉为 10 V 。 这样便给出 60 dB 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 , 我们应能很容易卜 分龙月 夜的光强 (0 . 00 1fc )和满 月夜的光强 (0 . 1比)。 注 意 , 为 了要 获 得 最 大 的 信 噪 比 (SN R ) , 我们应当选择从 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 枯 号强度则降为原来的 l/ 乙 而反馈电阴产 鲜 的噪声 、褥盗俪瓦高l责仅降低涯信 。 假定闭 环带宽保持不变 , 这将使 SN R 减小 3d B 。 六下面的分析中 , 我们将看到电阻足对总 渝出噪声影响最大的因素之一 。 要精确测量数 10 p A 范围的光电 一极管 电流 , 运算放大器的偏置电流不应大 f 数 皮安 , 这就大大缩小了选择的余地 。 J一业 标准的 0 P07 是一种超低失凋电压 、1仰V) 的双极型运算放大器 , 但是其偏置电流达 4 n A ( 4 O0 0 pA ) 。 尽管带偏置电流补偿的超p 双极型运算放大器 (例如 O P9 7) , 在室温 下的偏置电流大约有 100 pA , 但是因为它 不象 FE T 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 FE T 输入 的 “静电计级” 运算放大器作为光电三极管前置放大器, ! "! !l 鑫嘿嚷滋 图 5 泄漏电流路径 因为它必须只工作在指定的温度范围内。 这类器件采用 BI FE T 工艺制造 , 使用 P沟 道结型场效应晶体管 JF E T 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 , 叮ET 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 JF E T 中的电流相等 ; 然后 , 微调 JFE T 源 电阻 , 将输入失调电压减至最小 。 选择 A D 79 5 作为光电三极管前置放大器 , 其主 要性能如下 : · 失调电压 : 在 25 ℃时, 最大为 25佩 r !⋯l-.。:I,:奋·I:百1⋯1- 泛 世界电子元器件 200 0. 12 3 8 通 用 元 器 件 卜-一一 G e n e ra IP u rPo , e C o m Po n e n ts ( ) 一 ‘ _ _ . 敛甲一一飞 ’NvER T件下八才卜 ‘A一稍⋯少兰烽 气今/ 嚣黝汤图 石 保护 D IP 封装的印制电路板布局 赚习拼 _ _ _ j 协飞 鳄羚火滋一艺以 l 鉴泊 V (K 级) · 失调电压漂移 : 最大为 3户V /℃ (K 级 ) · 输入偏置电流 ; 在 25 ℃时 , 最大为 lpA (K 级) · 0 . 1 一 10 Hz 电压噪声 : 2 .5 林如-P · l/f 转折频率 : 12 HZ · 电压噪声 : 在 100 H z 处为 10 nv 气/系 · 电流噪声 : 在 100 H z 处为 0. 6脚、俪 . 在 月 SV 时的功耗为 40 m w · 增益带宽乘积 IMH z 图、7 保护 SOl c 封装印制电路板布局 BE N T IN PU T PIN : PIN Z FO R IN V E R IER PIN 3 FQ R FO LLO W 至况 IN PLJT SIG N A L LEA D、 尸C 日()八R D \ 图 8 A D 7夕5 PA C K八( “ V jR伽N , , T EFL ON I洲S U L AT E公 S 与 “没有站污过的” 聚四氟乙烯 隔 离绝缘子相连的输入引脚 图 9 A D 7 9 5 前置放大器的直流失调误差 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 1 25 ℃时 l 英寸长的平行布线 的漏电阻约为 1创 欧姆 , 如果在它们间存在 15V 的 电压 , 便会有 15 0 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一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丸 即反 相或同相方式 。 图 6 示出一种用来保护 D IP (’’N’ , 型)封装的 A D F95 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 踉随器工作方式下 , 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 SO IC 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 SOI C 仁R’ , 封装中, 引脚 1 、 引脚 3 9 世界电子元器件 2000 . 12 通 用 五 器 件 G e n e ra lPu rPo s e C o m Po n e n ts一确}一泛 图 1 0 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 一V s 引脚 。 对于偏流极小的应用场合 (如利用输入偏流为 100 fA 的 A D 5 4 9 的场合), 所有一与该运算放大器输入 端的连线都应接到没有砧污过的聚四氟乙烯隔离绝 缘子上 俨没有站污过的 ’, 聚四氟乙烯是指己加工成 形但未砧污上粉末或颗粒灰尘的一块洁净的固体聚 四氟乙烯 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 )。 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 几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, 一 极管分流电阻 (R l) 随温度而变—每当温度 升高 10 ℃ 时, 其 阻值便减 小 半 。 在室温 〔卜25 ”C) 卜, R l一 IO00 M贝 , 而在 + 70 ℃ 时 Rl 便减小到 43 Mn 。 这 对电路的直流噪声增益 , 因而对输 出失调电服带来 巨大影响 。 例如 , 在十25 OC 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 一70 ): 33 m V 。输出灵敏度 : lm V /PA 。输出光电灵敏度 : 36 v/ fo ot 一c如 dl e 。在 25 时总输出噪声 : 2 8 ‘5 V R M S , 在 25 时总噪声 RT I: 44 fA R M S , 或 2 6 . 4 pA p 一p . RZ = 1000 M 时照度范围 : 0. 00 1一0 33 fo ot 一ca lld ]e . 带宽 : 16 H Z 火肆 ‘ 乍 l ! 6 汁us L og ic 花片提供卓越电能管理功能 Ci rru s Log ic 上月举办数字电能表芯片研讨会 , 推出其三款 A D C 新品 : Cs5 46 0A/ C S5 45 1/ CS5 47 1 。 该公司 的 CS54 6 O系列芯片是在一个单芯片上集成有数字乘法器、 数字滤波器及 D SP 等功能的片上系统 , 在美国 、 日 本 、 欧洲己有大量应用 , 在我国也己经做了长期的推广应用 。 C s54 6 OA 是针对我国电力特点而设计的 , 可以用于复费率单相电能表解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 CS 5 460 A 不仅能直接驱 动 LCD 数字显示 , 而且可以直接驱动机械字轮计度器显示 , 可使电能表的精度达到千分之五 , 使用寿命在十 年以上 。 Ci mi s L o gi c 公司数据收集产品业务开发总监 Fr an k den B reej en 先生在会上表示 : C S 54 6 0 系列芯片在能量 管理方面具有重要意义 。 利用它电表制造商能够设计出更好的电子 电表产品 , 使公用电力管理部门获得更精 确 、 更实用的数据 , 满足电力管理的更高要求 。 它不仅可以用于电子 电表中 , 在任何需要能量测量和管理的 地方都可以应用 , 现在在工业设备和家用电器中已经开始使用 。 t .1 1 ! , .方抓盂惠对 Ci rm s Log ic 产品感兴趣的读者 , 请访问 w~ ci mi s . c o m 或e 一m a il: a le即a n铆u b lic 4 · sta · (田野) n e t Cn 。 旦C卫 世界电子元器件 2 000 . 12 4 0