MS-2624精密光电二极管传感器电路优化设计-AnalogDevices.PDF

技术文章 MS-2624 精密光电二极管传感器电路优化 设计 作者：Luis Orozco 光电二极管是很多光学测量中最常用的传感器类型之一。 诸如吸收和发射光谱、色彩测量、浑浊度、气体探测等应 用均有赖于光电二极管实现精密光学测量。 光电二极管产生与照射到活动区的光量成比例的电流。大 多数测量应用都需要用到跨阻放大器，以便将光电二极管 电流转换为输出电压。图1显示电路的原理示意图。 图2. 典型光电二极管传递函数 光照射到光电二极管的活动区后，电流从阴极流向阳极。 理想情况下，所有的光电二极管电流都流经图1中的反馈 电阻，产生数值等于光电二极管电流乘以反馈电阻的反馈 电压。该电路在原理上很简单，但若要系统具备最佳性能 则必须解决一些难题。 直流考虑因素 第一个难题是选择直流规格匹配应用要求的运算放大器。 图1. 简单跨阻放大器电路 对大部分应用来说，低输入失调电压是最重要的规格。放 大器输出端存在输入失调电压，该失调电压会增加系统总 该电路的光电二极管在光伏模式下工作，其中运算放大器 误差；而在光电二极管放大器中，它还会产生其他误差。 保持光电二极管上的电压为0 V 。这是精密应用中最常见的 光电二极管上存在输入失调电压，产生更多暗电流，进一 配置。光电二极管的电压与电流关系曲线十分类似于常规 步增加系统失调误差。通过软件校准、交流耦合——或者 二极管，但前者的整条曲线会随着光照水平的变化而向上 两者兼用——消除初始直流失调，但较大的失调误差会缩 或向下平移。图2a显示典型的光电二极管传递函数。图2b 小系统动态范围。幸运的是，输入失调电压在几百mV甚 是传递函数放大后的图形，表明哪怕在没有光的情况下， 至几十mV的范围内，有大量的运算放大器可供选择。 光电二极管也会输出少量电流。这种暗电流会随着光电二 第二重要的直流规格是运算放大器的输入漏电流。电流进 极管上的反向电压增加而上升。大部分制造商在反向电压 入运算放大器输入端，或者进入反馈电阻以外的任何地 为10 mV的前提下给出光电二极管的暗电流。 方，都会产生测量误差。具有零输入偏置电流的运算放大 器是不存在的，但某些CMOS或JFET输入运算放大器非常 接近这个数值。例如，在室温下，AD8615 的最大输入偏置 电流为1 pA。AD549最大输入偏置电流为60 fA ，该数值得到 保证并经过生产测试。FET输入放大器的输入偏置电流随