光电二极管运放电路的线性和如何减小偏置

光电二极管的输出信号可以作为电压信号监测,也可以作为电流信号监测。但电流信号具有更好的线性、偏移及带宽性能。

        将光电二极管连接至一个高负载阻抗时,就可实现电流到电压的转换。但这种简单连接很难直接应用到光电转换的微弱信号放大电路中,因为容易产生非线性和较大的直流偏置,非线性是由电路产生的ep=VT Ln ip/ iS是对数变化引起,光电二极管的结电阻会与高负载阻抗分压,产生直流偏置。采用电流检测模式的跨阻放大电路是光电二极管前置放大电路的优先选择。

        下图所示的电路,既能吸收二极管的电流,又不会产生跨过二极管的电压,在运放输入端不会产生任何明显的电压。在没有加入RC时,利用输入端虚地的概念,实现了二极管接入的零输入阻抗。但由于IB-(和残余漏电流)流过Rf(通常与光电二极管一起使用的都是大阻抗的Rf)会产生一个显著的直流偏移,从而引起电路输出偏移。此时引入RC,它可以产生一个偏置分量,以此来抵消放大器输入电流产生的偏置分量。当取RC=Rf 时,运放输出信号eo=ip ▪ Rf 。可见输出电压与光通量是一种线性关系。图中RC并联电容可以很大程度上消除电阻产生的噪声效果。

        可以这样理解这个反馈回路:光电二极管产生的光电流ip首先与运放的高输入阻抗作用产生输入电压,此电压经运放开环增益放大后产生输出电压eo,而eo又经反馈回路流向Rf,这样二极管产生的电流就从放大器的输入阻抗转到流向Rf,从而恢复运放输入端的虚地状态。这一过程中,运放输出电压就等于二极管的光电流ip×Rf。

光电二极管运放电路的线性和如何减小偏置
         如果考虑漏电流iL,运放输出偏置电压可表示为 VOSO=(IB-▪Rf - IB+▪Rf)  + IL▪Rf  。对于高增益光电二极管来说,IL很容易影响偏置性能。可见,随意添加Rc来补偿输入偏置电流,可能会产生一个更大的二极管漏电流IL,从而导致总的偏置电压变大,而不是变小,事与愿违啊。
       当然,从  VOSO的表达式中,我们也可以领略到,可通过减小Rf  来减小偏置。但如果在上图电路中选择直接减小Rf  ,则会使eo 成比例减小。更好的办法是使用T型反馈网络,如下图示,T型反馈网络的等效反馈阻抗Rfeq=RfT + R1+Rft▪(R1/R2),RfT >>R1 >>R2 ,运放输出信号eo =Rfeq▪ip ≈ip▪(1+(R1/R2)▪Rft 。利用这种乘法关系,减小了对Rft 阻值的要求,由于T型反馈网络所使用的电阻阻值都较小,会提高电阻的精确匹配的概率,更有利于减小二极管的漏电流,从而使实际输出的VOSO减小。

光电二极管运放电路的线性和如何减小偏置

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