光电二极管信号放大解决方案解析
【导读】Photo-Diode 光电二极管，内部结构是由一个PN结组成的半导体器件。它和常用二极管一样，有单向导通的特性。色彩测量、发射光谱仪、气体探测器、浑浊度计等应用通常都是采用光电二极管来实现精密光学测量。
图 1 光电二极管外型
图 2 光电二极管内部结构
图 3 典型光电二极管传递函数特性图
一、光电二极管的工作模式
光电二极管的基本原理是：通过吸收光能并照射到P-N结时将其转换成电信号。常见有以下两个工作模式：
● 光导模式（反向偏置）
● 光伏模式（零偏置）
图 4 反向偏置
图 5 零偏置
光导模式特点：
● 响应速度快
● 暗电流大
● 影响线性度
光伏模式特点：
● 暗电流小
● 影响线性度
二、 光电二极管常用信号链
图 6 常用信号链原理
如上图所示，常用信号链总共分四级：
第一级信号链：
I-V转换，一般PGA都做在第一级，因为电阻的热噪声和电流噪声会直接出现在输出端，如果PGA做在后级，还会把前级的噪声进行放大，总的噪声会变大。
第二级信号链：
放大，根据客户具体信号的需求，可以省略。
第三级信号链：
滤波器，可以配置成低通，带通，高通，需要根据具体需求而定，位置可以调到第二级。
第四级信号链：
ADC采样，根据具体需求选择ADC的精度和种类。
三、 光电二极管同步检测信号链
图 7 同步检测信号链原理
同步检测方法，在信号链加入了隔直和模拟开关，从而使信号翻转。最终输出直流信号去AD采样，这样就可以降低ADC的动态特性要求，但是整体链路会复杂很多。具体如何选择还是要看客户需求。
四、 I-V 转换放大器选型
I-V转换在整个信号链中最为重要，选型是否合适会影响整个信号链性能的发挥。因为光电二极管输出为电流信号，所以放大器应该选电流特性比较好的FET型。
需要关注的指标如下：
● 失调电流
● 偏置电流
● 失调电压
● 带宽和压摆率
● 噪声和温漂
每个指标的选择要根据客户实际应用。
比如：本系统光电二极管输出电流范围在1nA~1uA，系统精度要达到1%，那我们电路选型指标基本要达到千分之一水平，这样各级误差累计再加上其他误差，整个系统精度才能比较保险的达到1%水平。光电二极管最小输出1nA，那么失调电流，偏置电流基本要能达到1nA/1000=1pA。失调电压要根据光电二极管偏置电压要求来选，一般都能满足要求。带宽和压摆率要根据信号的带宽来选择。噪声和温漂越小越好，但是价格也会比较高。
五、器件选型中间级运放和ADC
中间级运放
信号已经经过前级放大，已经有了较好的信噪比，中间级的运放要求不是很高，选型时注意供电范围，带宽压摆率，输入输出范围，一般问题都不是很大，这里就不做具体型号推荐列举说明。
ADC
ADC的选择有很多，一般情况下16bit的SAR型ADC就够用。如果客户系统精度要求很高，但是对信号频率不高，可以选用高bit的∑-△型。选型应该注意考虑采样速度，供电范围，输入范围，增益误差，INL，DNL等。
来源：8号线攻城狮
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