光电二极管前置放大器

光电二极管前置放大器光电二极管的等效电路如图1所示 。光电二极管灵敏度的标准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ISC。最常用的光源是工作在2 850K色温下的白炽钨灯。在100fc(呎-烛光)照度(相当于阴天的光强)下，对于小面积(小于1mm2)二极管的短路电流通常是数皮安(pA)到数百微安(μA)。

短路电流在6~9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。光电二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。要精确测量数10pA范围的光电二极管电流，运算放大器的偏置电流不应大于数皮 安，这就大大缩小了选择的余地。工业标准的OP07是一种超低失调电压（10μV） 的双极型运算放大器，但是其偏置电流达4nA（4000pA）。尽管带偏置电流补偿的 超　双极型运算放大器（例如OP97），在室温下的偏置电流大约有100 pA，但是 因为它不象FET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FET输入的“静电计级”运算放大器作为光电二极管前置 放大器，因为它必须只工作在指定的温度范围内。这类器件采用BiFET工艺制造， 使用P沟道结型场效应晶体管JFET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，Bi FET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JFET中的电流相等； 然后，微调JFET源电阻，将输入失调电压减至最小。选择AD795作为光电二极管前 置放大器，其主要性能如下：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示出光电二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,二极管分流电阻(R1)随温度而变—每当温度升高10℃时,其阻值便减小一半。在室温(+25℃)下,R1=1000MΩ,而在+70℃时R1便减小到43MΩ。这对电路 的直流噪声增益,因而对输出失调电压带来巨大影响。例如,在+25℃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0~70 )：33mV
● 输出灵敏度：1mV/pA
● 输出光电灵敏度：36V/foot-candle
● 在25 时总输出噪声：28.5 V RMS
● 在25 时总噪声RTI：44fA RMS,或26.4pA p-p
● R2＝1000M 时照度范围：0.001~0.33foot-candle
● 带宽：16Hz