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光电二极管放大电路设计-如何放大信号?

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-11 收藏

今天给大家分享一些关于光电二极管运算放大电路的文章。

由光电二极管产生的极低幅度电流的标准方法:将该电流用作基于运算放大器的跨阻放大器 (TIA) 的输入。下图提供了连接到 TIA 的光电二极管的示例,光电二极管的偏压为零,这意味着光电二极管在光伏模式下工作。

连接到跨阻放大器的光电二极管

1、保持光电二极管电路的稳定性

在上图所示的电路中,只有电阻( RF ) 提供增益 。电容 (CF) 的目的是 通过补偿光电二极管的内部结电容来避免振荡问题 ,这会在反馈网络中形成一个极点。 电容(CF) 通过在反馈网络中创建一个零点来进行补偿。

振荡是光电二极管电路的一个非常现实的问题。确实,内部频率补偿通常可以保护运算放大器免受不稳定的影响,但即使使用内部补偿运算放大器,光电二极管也会发生振荡。

2、包含直流偏移

在某些情况下,可能需要 使用光电二极管来记录由特定类型的短时光或热事件产生的波形 。你可以使用 AC 耦合来消除环境辐射的影响,从而允许系统仅检测瞬态照明,但波形的下降沿可能会延伸到地面以下。

这在单电源系统中可能会出现问题:如果运算放大器的负电源接地,延伸到 0 V 以下的波形部分将被削波。

你可以通过向运算放大器的非反相输入端施加一个小的直流电压(称为 VOFFSET )来解决此问题;VOFFSET将成为放大器在没有输入信号时产生的输出电平。波形的下降沿将能够延伸到该电压以下,并且在瞬态事件之后,放大的输出最终将返回到 VOFFSET。

与图 1 相同的光电二极管连接到跨阻放大器,但具有直流偏移

在此示例中,使用电阻分压器来生成合适的偏移电压,并联电容有助于抑制源自电源的高频噪声。

你选择的偏移电压将取决于你要应用的电路。如果你不希望VOFFSET大于必要的值:如果偏移为 500 mV,但你的输入波形从未延伸到低于地面 200 mV 以上,那么你已经失去了正周期部分可能需要的 300 mV 信号摆幅的波形。

要记住,由于虚拟短路,施加到同相输入端的电压也会出现在反相输入端。这意味着正偏移电压将导致光电二极管具有反向偏置。

3、避免饱和

即使你不确定要保留波形的地下部分,如果你正在设计单电源系统,也应该考虑包含一个小的(可能是 100 mV)偏移电压,因为它可以防止运算放大器在负轨饱和。

饱和并不是什么特别严重,但运算放大器(与比较器不同)并未针对在电源轨上产生的输出电压进行优化。饱和运算放大器需要一些时间才能摆脱饱和。因此,在负轨处饱和的 TIA 在响应输入信号时会出现一些延迟。

光电二极管运算放大电路案例设计1

光电二极管可以在光伏或光电导模式下运行。在光伏模式下, 光电二极管是无偏置的 ;而对于 光电导模式,则施加外部反向偏压 。具体的工作模式选择取决于应用程序的速度要求以及可容忍的暗电流量。在光伏模式下,暗电流最小。光电二极管在光电导模式下工作时表现出最快的开关速度。

光电二极管和运算放大器可以耦合,以使光电二极管在短路电流模式下工作。运算放大器用作简单的电流电压转换器

PV和PC模式

基本光电二极管测试电路

如下图所示,为基本光电二极管的测试电路,当 LED 开启时,反向电流通过光电二极管从阴极流向阳极,流向 Q1 的基极。电流被放大并用于点亮 LED,这是一个对测量光强度无用的开/关电路。

基本光电二极管电路

光电二极管运算放大器电路设计案例2

在这里,我们将使用运算放大器将光电二极管电流转为可测量的电压,也被称为跨阻抗或电流电压放大器。在所有情况下,光电二极管都是反向偏置的。

基本的 LM741 光电二极管跨阻放大器

使用 LM741 将小漏电流通过公式 Rf * Ip 转换为电压。根据 Rf 的值,电压输出为正 0 到 10 伏。LED 的亮度与光电二极管上的光强度成正比。要注意,这是一个双极电源电路

双极电源电路

接着对这个电路改进一下(如下图所示),和上面的不同之处在于光电二极管的阳极连接到 -12 伏电源。这降低了电容并提高了开关响应。这是一个演示电路,如果要获得真正的高速性能,必须要使用高速运算放大器,例如ADA4817-1 或 OPA640,还可以使用 PIN 光电二极管。

演示电路

在下图中,将光电二极管的阴极连接到 +12 伏电源。这会产生负电压输出。这是另一个双极电源电路。

双极电源电路

下图是一个实验电路,可以使用带有 Arduino 的光电二极管读取光强度。使用 7 伏电源时,最大电压输出为 5 伏。输出 0-5 伏。

光电二极管放大电路

以上,就是关于光电二极管电路设计的一些分享,希望能帮助到大家。



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