光电探测器前置放大电路设计概要

光电探测器前置放大电路设计概要

上海光学精密机械研究所李国扬

此处的光电探测器，指的是将光功率转化为电流的二极管结构光电转换器件。有人认为光电探测器的应用很简单，将光电二极管的输出电流用一个电阻进行取样，就得到了电压，该电压可经过AD转换电路进行数字化处理。一个简单的光电探测器应用电路如下图所示：

实际上，没有如上图一样简单。

首先，上图中的光电探测器会产生一个暗电流，这个暗电流有可能会大到可以和信号电流比拟；其次，取样电阻会产生热噪声，而电阻值越大，噪声也越大。并且，10mV 的信号电压未必足够大。而在光电流大小一定的情况下要提高信号电压，就需要增大取样电阻，取样电阻变大，又会增大噪声，这是一对矛盾。

进一步分析，光电探测器的PN结有一个结电容，这个结电容和取样电阻形成一个RC充电回路，RC值的大小决定了光电探测器的响应速度。对于一个给定探测器，C 值是随着VCC电压值变化而变化的。电容值随VCC变化典型曲线如下图。当VCC值不稳时（如用噪声大的开关电源给探测器做偏压），就会使结电容不稳，结电容的大小会影响响应度；这样，VCC的噪声会通过改变结电容的大小而转化成信号的噪声。确定了探测器种类和VCC后，C值就固定了，此时，减小R值可以减小响应时间，增大响应带宽；但是，减小R值又会减小响应幅度。这又是一对矛盾。

对于探测微弱信号而言，需要一个比较大的取样电阻，而取样电阻如果很大，对于

后级电路来说，相当于一个大的输出阻抗，这对后级电路的处理带来了困难。如下图所示意，如果后级电路的输入电阻为1M欧，那么信号电压只有一半被后级放大器提取，所以，要求后级电路有很大的输入阻抗，才能尽可能多的提取信号能量。

到了这里，您可能会说，是否可以选择一种光电探测器，使它能够对光信号更为敏感，也就是说，单位光功率可以得到更大一些的光电流，这样就减轻了电路的压力。是的，有响应更大的器件。但是，增大光电响应度，在半导体工艺上需要增大光敏面积，而增大光敏面积的一个伴生效应是增大结电容。前面提到，增大结电容的坏处是降低响应速度。

一个典型的光电探测器结构图如下所示：

可以看到，一个光电探测器由一个光生电流源和一个电容构成。由PN结理论，增大加在光电探测器上的反偏电压，会拉长耗尽区，拉长耗尽区的结果是使结电容变小。从而得知，结电容是反偏电压的单调递减函数。

上面的结构还不能完全反映一个光电探测器的内部结构。我们知道，光电探测器是基于半导体工艺的，半导体材料不是绝缘体，所以，结上还有一个寄生电阻，这个电阻相当于并联于结电容上，通常，值在100M欧的量级。如下页图所示。在电路中，没有光信号输入时，光电探测器仍然会流出光电流，这个光电流的起因就是寄生电阻和偏置电压共同作用的结果。没有信号时探测器流出的电流，称为光电探测器的“暗电流”。

根据光电探测器这些性质，派生出两种用法：第一种是无偏用法，第二种是有偏用法。

无偏用法示意图如下：

由于这种用法没有给光电探测器加偏压，所以寄生电阻上没有电流产生，从而就没有暗电流。

由于没有零偏压，结电容也会保持一个恒定值，响应度也就不会因为偏压改变而改变，从而降低了系统的噪声，也使响应的线形度良好。

无偏用法，由于没有暗电流，噪声小，线形度好，所以使微弱光信号探测成为可能。

有偏用法如下页图所示：

该电路中，给光电探测器加上了10V的偏压，这样带来了两个影响：第一减小了结电容，从而提高了响应速度，这是积极影响；但是，也在寄生电阻上加了电压，从而会产生暗电流。对于100M的寄生电阻而言，产生的暗电流是100nA。

综上所述，无偏用法用于精度敏感于速度的场合，有偏用法用于速度敏感于精度的场合。

要想得到高速的响应，我们需要有偏用法。下面我们继续分析有偏用法。按照上图接好电路后，我们可能会发现，运算放大器的输出是震荡的：

产生震荡的根本原因是光电探测器的结电容。在频域上讲，该结电容相当于给运算放大器引入了一个极点；在时域上讲，该结电容延迟了信号的响应。

解决震荡的手短是在反馈电阻上并联一合适的电容，对电路补偿一个极点。原理请参考OP放大电路设计一书。

按照这个电路设计出来的光电检测电路可能会出现以下两种故障：

1、输出有一个很高的直流电平，哪怕是没有光照输入的时候该电平也不能消除

2、输出可能一直为0，哪怕有很强的光照时输出也为0。

产生这种现象的原因是运放的偏置电流可以和光电流相比拟。我们总是期望运放是完全满足虚短，虚断，虚地的完美运放，这三虚理在论上是完美的，但哪一虚都没有可能在真实的器件上实现，题外话，三个代表和运放的三虚有异曲同工之处。

实际的运放或多或少会在输入级产生一个偏置电流IB，这个IB可能大小可能会和光电流相当，这就否定了虚断这一理想假设。

双极型晶体管输入结构的运放有比较大的偏置电流，但是该偏置电流值不随温度变化；JFET型输入结构的运放有比较小的偏置电流，但偏置电流值随温度变化明显；MOS管输入结构中的ESD保护二极管失配也会带来偏置电流。

解决这个问题的办法有如下几种：

1、选用小偏置电流的运放。小到可以和光电探测器的暗电流相比拟

这种办法的优点是电路简单，容易调试，缺点是可能造价较高。

2、增加补偿电阻

如下图所示:

此种办法的思路是用光电检测器两端的补偿电阻来补偿偏置电流抬高的输出电位，从而使输出保持0（输入为0的情形下）。

此种办法可以用比较通用的运放来完成任务，缺点是补偿电阻的参数不一致性会带来

一定的误差。

3、采用闭环伺服电路

用另外一片运放可以动态补偿偏置误差。

如下页图所示。此种办法的缺点是，探测信号只能为交流信号。

最后一个影响光电检测电路的障碍是误差。对于一个跨导式光电检测电路，对运放的反向输入端的电流噪声特别敏感，对同向输入端的电压噪声特别敏感。这在电路涂上很容易理解，通向输入端的电压噪声会直接抬高输出电压，反向输出端的电流噪声会通过反馈电阻

耦合到输出。

解决这个问题的手短有如下几个：

1、选用低电流噪声，低电压噪声的运放

事实上，双极型运放有较低的电压噪声，JFET型运放有较低的电流噪声；而电压噪声、

电流噪声都低得运放很难找，就算找的到价格也会相当昂贵。

所以，我们只能在电压噪声、电流噪声、器件成本、性能需求之间进行折衷。实际上，

电路设计也是一个折衷妥协的过程。

2、减小运放输入级的引线。减小引线可以减小空间耦合的噪声，在一定程度上可提高

光电检测电路的性能。

3、采用额外的补偿电路

此种方案可以较好的解决噪声，但调试起来相对复杂，不做介绍。

至此，光电检测电路设计中的问题已介绍完。

检测速度、检测精度、动态范围、成本都好的检测电路是不可能有的，我们只能针对一个或几个参数进行优化设计，在满足性能需求的前提下进行成本性能折衷。

祝您工作愉快，我的联系方式：QQ33774287，欢迎同行交流指正。