光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
二极管分析：光电二极管工作原理及使用情况
二极管分析：光电二极管工作原理及使用情况当光电二极管配置为光致电压工作方式时，图5所示的系统模型可用来定性分析系统的稳定性。
这个系统模型的SPICE能模拟光电二极管检测电路的频率及噪声响应。
尤其是在进入硬件实验以前，通过模拟手段可以容易地验证并设计出良好的系统稳定性。
该过程是评估系统的传输函数、确定影响系统稳定性的关键变量并作相应调整的过程。
该系统的传输函数为（2）运算放大器具有范围较宽的技术指标及性能参数，它对光检测电路的稳定性和噪声性能影响很少。
其主要参数示于图3的模型中，它包括一个噪声源电压、每个输入端的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容及与频率有关的开环增益。
输入差分电容CDIFF和输入共模电容CCM是直接影响电路稳定性和噪声性能的寄生电容。
这些寄生电容在数据手册中通常规定为典型值，基本不随时间和温度变化。
另一个涉及到输入性能的是噪声电压，该参数可模拟为运放同相输入端的噪声源。
此噪声源为放大器产生的所有噪声的等效值。
利用此噪声源可建立放大器的全部频谱模型，包括1/f噪声或闪烁噪声以及宽带噪声。
讨论中假设采用CMOS输入放大器，则输入电流噪声的影响可忽略不计。
图3 非理想的运放模型当运行SPICE噪声模拟程序时，必须使用一个独立的交流电压源或电流源。
为了模拟放大器的输入噪声RTI，一个独立的电压源VIN应加在放大器的同相输入端。
另外，电路中的反馈电阻保持较低值（100W ），以便在评估中不影响系统噪声。
图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益AOL（jw ），典型情况下，在传输函数中该响应特性至少有两个极点，该特性用于确定电路的稳定性。
在这个应用电路中，对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围。
一般而言，输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值，而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。
大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压以下0.3V的共模范围。
由于同相输入端接地，此类性能非常适合于本应用领域。
光电二极管及其放大电路设计
光电二极管及其放大电路设计引言：光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。
光电二极管通过光电效应实现光信号的转换，而放大电路则能够对光电二极管输出的微弱信号进行放大，提高信号的可靠性和稳定性。
本文将介绍光电二极管的基本原理和构造，并探讨光电二极管放大电路的设计。
一、光电二极管的基本原理光电二极管是一种基于光电效应工作的半导体器件，它的工作原理与普通二极管类似。
当光照射到光电二极管的PN结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，产生电流。
这种光电效应使得光电二极管能够将光信号转换为电信号。
二、光电二极管的构造光电二极管由PN结和外部电路组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，形成了一个具有电势垒的界面。
当光照射到PN 结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，形成电流。
外部电路则用于接收和处理光电二极管输出的电信号。
三、光电二极管的放大电路设计为了提高光电二极管输出信号的可靠性和稳定性，常常需要设计放大电路对其进行放大。
光电二极管放大电路主要包括前端放大电路和后端放大电路。
1. 前端放大电路前端放大电路主要用于对光电二极管输出的微弱电信号进行放大和滤波，以提高信号的强度和稳定性。
常用的前端放大电路有共基极放大电路、共射极放大电路和共集电极放大电路等。
这些放大电路能够将光电二极管输出的微弱信号放大到适合后续处理的幅度。
2. 后端放大电路后端放大电路主要用于进一步放大前端放大电路输出的信号，并进行滤波和调理，使得信号能够更好地适应后续电路的要求。
常用的后端放大电路有差动放大电路、共模放大电路和运放放大电路等。
这些放大电路能够进一步放大信号，并对其进行滤波、放大和调理，以满足特定的应用需求。
四、光电二极管及其放大电路的应用光电二极管及其放大电路广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。
在光电转换领域，光电二极管可用于测量光强、光功率、光谱等参数。
光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管检测电路的组成及工作原理1.光电二极管：光电二极管是将光信号转换为电信号的传感器。
在检测电路中，光电二极管通常由半导体材料制成，具有PN结构。
当光照射到PN结上时，光子会与半导体材料发生作用，导致电子与空穴的产生和流动，从而产生电流。
2.放大器：放大器用于将光电二极管输出的微弱电流信号放大到检测电路的工作范围内。
放大器常用的类型有运算放大器和差分放大器等。
放大器的增益和频率响应特性需要根据具体的应用来选择。
3.滤波器：滤波器用于去除电路中的噪声。
光电二极管检测电路通常采用低通滤波器，它可以滤除高频噪声，保留低频的信号。
滤波器的参数如截止频率和增益等需根据具体的应用场景来选择。
4.信号处理器：信号处理器用于将放大后的电信号进行进一步的处理。
它可以将电信号转换为数字信号，并进行滤波、增益控制、数学运算和数据存储等操作。
信号处理器通常由微控制器、FPGA或DSP等芯片实现。
5.显示器：显示器用于将处理后的信号以可视化的方式呈现出来。
显示器可以是液晶显示屏、LED显示屏或数码管等。
它可以显示光电二极管检测的结果，例如光强度、光电流或光功率等。
当光照射到光电二极管上时，光子与半导体材料发生作用，产生电子和空穴。
电子和空穴在PN结内的电场作用下向两端移动，形成电流。
这个电流的大小与光的强度成正比。
接下来，放大后的电压信号通过滤波器进行去噪。
滤波器通常采用低通滤波器，去除高频噪声，保留低频的信号。
滤波器的截止频率需要根据信号的频率范围来选择。
经过滤波后，信号进入信号处理器进行进一步的处理。
信号处理器可以将电信号转换为数字信号，并进行更高级的处理，例如滤波、增益控制、数学运算和数据存储等。
信号处理器通常由微控制器、FPGA或DSP等芯片实现。
最后，处理后的信号通过显示器进行呈现。
显示器可以显示光电二极管检测的结果，例如光强度、光电流或光功率等。
显示器可以是液晶显示屏、LED显示屏或数码管等。
综上所述，光电二极管检测电路的组成包括光电二极管、放大器、滤波器、信号处理器和显示器等，它的工作原理是将光信号转换为电信号，并经过放大和处理后输出。
光电二极管的工作原理、参数解析与检测方法
光电二极管的工作原理、参数解析与检测方法光电二极管的工作原理光电二极管是一种特殊的二极管，它将光信号转化为电流或电压信号，其结构与传统二极管基本相同，都有一个PN结，但是光电二极管在设计和制造时，尽量使PN结的面积较大，以便于接收入射光。
它的基本原理是：当光线照射到光电二极管时，吸收的光能转化为电能。
光电二极管工作在反向电压下，只经过很弱的电流(一般小于0.1微安)，称为暗电流，有光照时，带能量的光子进入PN结后，将能量传递给共价键上的电子，使某些电子脱离共价键，产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数量有限，而光照前多子的数量远大于光生载流子的数量，所以光生载流子对多子的影响很小，但少子的数量较少，有较大的影响，这就是为什么光电二极管工作在反向电压下，而非正向电压下。
在光生电子在反向电压下，在光生载流子的作用下，为促使少子参与漂流运动，在P区内，光生电子在PN区内扩散，若P区厚度小于电子扩散长度，则光生电子将能穿过P区到达PN结。
光电二极管的工作是一种吸收过程，它将光的变化转化为反向电流的变化，光电流和暗电流的合成是光电流，所以光电二极管的暗电流使器件对光的灵敏度降到最低，光的强度与光电流成正比，从而能将光信号转化为电信号。
图片来源于网络光电二极管选型中的参数解析实际上，光电二极管的“响应速度”和“探测下限”是研究中经常提到的两个参数，该参数会对光电二极管选型产生何种影响呢？今天我们主要来了解一下这两个参数。
一、响应速度通常用上升时间和截止频率来描述响应速度。
响应速度主要受以下三个主要因素影响：1、由终端电容(Ct)和负载电阻(RL)决定的电路特性；2、耗尽层外载流子的扩散时间；3、载流子在耗尽的层渡越时间。
与短波长光相比，长波长光往往激发出耗尽层外的载流子，因而扩散时间延长，响应速度变慢。
除此之外，以下三种提高光电二极管响应速度的方法更为普遍：1、选用较低端电容(Ct)的光电二极管；2、降低电路中负载电阻(RL)；3、通过增加反向电压(VR)，还可以降低终端电容值(Ct)，最终获得更快的响应速度。
光电检测实验报告光电二极管
光电检测实验报告光电二极管
与实验报告有关
一、实验目的
本实验旨在探究光电二极管的基本特性，了解不同参数对光电二极管
的作用原理。
二、实验原理
光电二极管是一种特殊的半导体器件，由一个P半导体和一个N半导
体组成。
其结构类似于普通的二极管，它是由一块金属片和一块硅片组成的。
金属片在表面覆盖着一层半导体材料层，而硅片则覆盖着一层P沟槽，形成一个PN结构，这就是光电二极管的基本结构。
当光电二极管接受到
外部光照时，在P层和N层之间就会产生电子-空穴对，并促使电子向N
层移动，从而在P层和N层之间构成一个电流，也就是由光引起的电流。
三、实验设备
1、光源：LED灯泡；
2、示波器：用于测量光电二极管的输出电流与电压；
3、电源：用于给光电二极管提供电势；
4、电阻：用于限制光电二极管的输出电流；
5、光电二极管：本次实验使用的是JH-PJN22；
6、多用表：用于测量电流、电压。
四、实验步骤
1、用多用表测量光电二极管JH-PJN22的参数，测量其正向电压和正向电流与LED照射强度的关系；
2、设置由电源、电阻和光电二极管组成的电路，并使用示波器测量输出电流和电压；。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案目录一、内容描述 (2)二、光电二极管基本知识 (3)1. 光电二极管的工作原理 (4)2. 光电二极管的特性与参数 (4)三、光电二极管检测电路的工作原理 (6)1. 光电检测电路的基本概念 (7)2. 光电检测电路的工作原理详解 (7)四、设计方案 (9)1. 设计目标及要求 (10)2. 电路设计 (11)（1）电路拓扑结构 (12)（2）元器件选择与参数设计 (13)3. 信号处理与放大电路 (15)（1）信号输入与处理电路 (16)（2）信号放大电路 (17)4. 电源及辅助电路设计 (18)（1）电源电路设计 (20)（2）保护及指示电路设计 (21)五、实验验证与优化 (22)1. 实验设备与工具准备 (23)2. 实验操作流程及步骤说明 (24)3. 数据记录与分析处理 (25)4. 电路性能评估与优化建议 (26)六、实际应用场景及推广价值 (27)1. 实际应用场景分析 (28)2. 推广价值及市场前景展望 (29)七、总结与展望 (30)一、内容描述光电二极管检测电路是一种基于光电效应工作的电子检测电路，主要用于检测光信号的强度或光照度。
该电路通过光电二极管将光信号转换为电信号，进而实现对光信号的测量、监控和控制。
本文将详细介绍光电二极管检测电路的工作原理及设计方案。
在光电二极管检测电路中，光电二极管作为核心元件，其工作原理主要基于光电效应。
当光线照射到光电二极管时，光子能量被材料中的电子吸收，从而使电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生光生电流。
通过测量光生电流的大小，可以反映光照度的强弱。
根据不同的应用场景和需求，光电二极管检测电路的设计方案也有所不同。
常见的设计方案包括：直接测量法：通过测量光电二极管产生的光生电流来直接反映光照度。
这种方法简单直观，但受限于光电二极管的响应速度和灵敏度，适用于低光照度测量。
信号放大法：通过对光电二极管产生的光生电流进行放大处理，可以提高测量灵敏度和精度。
光电二极管及其放大电路设计
光电二极管及其放大电路设计引言：光电二极管作为一种常见的光电转换元件，具有灵敏度高、响应速度快等优点，在光电传感、光通信等领域得到广泛应用。
本文将介绍光电二极管的原理和特性，并详细说明光电二极管放大电路的设计过程。
一、光电二极管的原理和特性光电二极管是一种PN结构的半导体器件，其工作原理基于内部光电效应。
当光照射到PN结上时，光子激发了半导体材料中的载流子，使得PN结两侧形成电势差，从而产生电流。
光电二极管的响应频率范围广泛，从红外到紫外均可覆盖。
光电二极管具有以下特性：1. 高灵敏度：光电二极管能够转换光信号为电信号，其灵敏度高于一般的光敏元件。
2. 快速响应：光电二极管的响应速度快，能够实现高频率的光信号检测和转换。
3. 低噪声：光电二极管的噪声水平较低，能够提供较为清晰的信号输出。
4. 宽波长范围：光电二极管的响应波长范围广，可用于各种光学应用。
二、光电二极管放大电路设计为了提高光电二极管的信号输出，常常需要设计放大电路来增强信号的幅度和稳定性。
以下将介绍光电二极管放大电路的设计步骤。
1. 选择适当的放大电路类型根据应用需求和光电二极管的特性，可以选择不同类型的放大电路，如共射放大电路、共基放大电路和共集放大电路等。
其中，共射放大电路是最常用的一种，具有较高的电流增益和输入阻抗。
2. 确定电路元件参数根据光电二极管的特性和输入信号的要求，确定放大电路的电路参数，如电阻、电容和功率源等。
通过计算和仿真，可以获得最佳的电路参数组合。
3. 进行电路布局和连接根据电路设计原理，进行电路布局和元件连接。
要注意保持电路的简洁和稳定，避免干扰和噪声。
4. 进行电路测试和优化完成电路布局和连接后，进行电路测试和优化。
可以通过示波器和信号发生器等设备，观察光电二极管输出信号的波形和幅度，并对电路进行调整和优化。
5. 确定电路的工作点和稳定性在电路测试和优化后，需要确定电路的工作点和稳定性。
通过调整偏置电压和电流，使得电路在正常工作范围内，输出稳定的放大信号。
光电二极管的工作原理及其应用
光电二极管的工作原理及其应用光电二极管是一种特殊的半导体器件，通过光的作用来产生电信号。
光电二极管广泛应用于光电测量、光电通信、光电成像等领域。
本文将从光电二极管的工作原理和应用两方面展开讨论。
一、光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理是基于光电效应的。
光电效应是指光照射到金属或半导体上时，物质中的电子受到能量的刺激而被释放出来。
当光照射到光电二极管中的半导体材料时，光子的能量被传递到半导体中的电子，电子受到能量刺激后跃迁到导带中，产生电子空穴对。
这些电子空穴对在外电场的作用下被分离，这就是光电二极管产生电流的原理。
光电二极管的构造是由n型和p型半导体层组成的。
在n型半导体的表面上加一层p型半导体以形成pn结，这个结就是光电二极管的关键部分。
当光子照射在pn结上时，光子的能量被传递给半导体，电子从能量较低的价带跃迁至能量较高的导带中，导带中的电子在外加电场的作用下，向p区移动，价带中的空穴向n 区移动。
这样就形成了电子空穴对，形成一个电路。
如果在光子作用下，外电压恰好等于内部电势差，电子空穴对能够产生电流，这就是光电二极管的输出信号。
光电二极管有多种类型，如Si（硅）光电二极管、Ge（锗）光电二极管、InGaAsP（化合物半导体）光电二极管等。
它们在不同的波长范围内具有不同的灵敏度。
二、光电二极管的应用1. 光电测量光电二极管广泛应用于光电测量中。
例如，它可用于光学频率计的接收端，利用反射光调制输出电流变化来转换频率信号。
它也可以用于激光功率测试，直接将激光束照射在光电二极管上，通过光电二极管产生的电流来测量激光功率。
2. 光电通信光电二极管在光电通信中也具有广泛的应用。
例如，它可以用于光导纤维解调器的接收端，将光信号转换成电信号，并进一步处理后将其转换回光信号，以便进行传输。
它也可以用于信号放大器和光电门控制器等领域。
3. 光电成像光电二极管在光电成像领域中也具有广泛的应用。
例如，它可用于早期计算机的摄像头中，将光信号转换成模拟电信号，进一步处理后可用于显示器上。
光电检测系统的工作原理及应用
光电检测系统的工作原理及应用概述光电检测系统是利用光电传感器来实现对光信号的检测和测量的一种系统。
它通过将光信号转化为电信号进行处理和分析，广泛应用于工业自动化、仪器仪表、机器视觉、安防监控等领域。
本文将介绍光电检测系统的工作原理及其在各个领域的应用。
工作原理光电检测系统的工作原理是将光信号转化为电信号，并通过电路进行处理和分析。
光电传感器是光电检测系统的核心组件，它可以将光信号转化为电信号。
光电传感器光电传感器主要由光电二极管（Photodiode）、光敏电阻（Photocell）和光电管（Phototube）等组成。
光电二极管是最常见的光电传感器之一，其工作原理是利用半导体材料对光的敏感性，在光照下产生电流。
光电二极管可根据光照强度的变化产生不同的电流信号，实现对光信号的检测和测量。
信号处理电路光电检测系统中的信号处理电路主要用于放大、滤波和处理光电传感器产生的微弱电信号。
通过增加电流放大器、滤波器和信号处理器等电路，可以提高系统对光信号的灵敏度和稳定性。
同时，信号处理电路还可以对电信号进行模数转换和数字信号处理，进一步对光信号进行分析和判断。
应用领域光电检测系统在各个领域有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：工业自动化光电检测系统在工业自动化领域中起到了重要作用。
它可以用于物料检测、位置判断和传感器触发等任务。
光电传感器可以检测到物体的存在与否，实现对物体的自动识别和测量。
在流水线上，光电检测系统可以实现对物体的计数和判断，提高生产效率和质量。
仪器仪表光电检测系统在仪器仪表领域中也有广泛的应用。
例如，在光谱仪中，光电传感器可以将光信号分解为不同波长的光谱，并进行光谱分析和测量。
在激光测距仪中，光电检测系统可以利用光信号的反射时间来测量目标物体与传感器的距离。
机器视觉光电检测系统在机器视觉领域中也被广泛应用。
它可以用于图像传感和边缘检测等任务。
利用光电传感器对光信号的感知和分析，可以实现对图像的自动采集、处理和判断。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案光电二极管检测电路是一种将光信号转换为电信号的装置，它广泛应用于各种光学测量和控制领域。
其工作原理是基于光电二极管的光电效应，通过将光信号照射到光电二极管上，使其产生电流输出，从而实现对光信号的检测。
设计一种光电二极管检测电路需要考虑以下几个方面：1.光电二极管的选择：要根据具体的应用需求选择合适的光电二极管。
通常，选择感光面积大、光谱响应范围广、响应速度快、噪声低的光电二极管。
2.光电二极管的放大电路：由于光电二极管输出的光电流较小，需要经过放大电路放大后才能得到可用的电信号。
常见的放大电路有共射放大电路和差动放大电路。
共射放大电路适用于单端输入，输出电压幅度大，但可能存在信号漂移和温漂的问题；差动放大电路适用于双端输入，具有较高的共模抑制比，但需要两个光电二极管。
3.滤波电路和信号处理：为了滤除噪声和杂散信号，可以在输出端串联一个滤波电路，如低通滤波器或带通滤波器。
如果需要对光信号进行进一步的处理，如放大、转换、逻辑判决等，可以根据具体需求添加相应的电路模块。
4.驱动电路：光电二极管通常需要外部电路来提供正向电流，以确保其正常工作。
驱动电路可以采用简单的电流源电路，或使用恒流源，以保持光电二极管工作在恒定的工作点。
5.反馈电路：为了提高光电二极管的线性度和动态范围，可以添加反馈电路。
常见的反馈电路有负反馈和光电二极管自反馈两种。
负反馈电路可以减小非线性失真，提高稳定性和抗干扰能力；光电二极管自反馈电路可以提高光电二极管的速度和线性度。
6.实际布局和封装：在设计光电二极管检测电路时，需要考虑电路的实际布局和封装，以保证信号的完整性和稳定性。
同时，要保持电路的抗干扰能力和可靠性。
总之，光电二极管检测电路的设计需要综合考虑光电二极管的特性、放大电路、滤波电路、信号处理电路、驱动电路、反馈电路等多个方面的因素。
根据具体应用需求和预算，选择合适的器件和电路方案，并进行合理的布局和封装，可以实现高性能、低噪声和稳定可靠的光电二极管检测电路。
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光电二极管检测电路的工作原理及设计方案•光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。
许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。
光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。
在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。
而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。
看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。
为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。
本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。
首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。
以上两步是完成设计过程的开始。
第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。
1 光检测电路的基本组成和工作原理设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。
这种方式的单电源电路示于图1中。
在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。
光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。
由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。
输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。
图中的放大系统将电流转换为电压，即VOUT = ISC ×RF （1）图1 单电源光电二极管检测电路式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。
图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。
用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。
模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。
用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。
此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。
理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。
给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。
改变RF可在信号频响范围内改变极点。
遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。
例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。
如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。
实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。
设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。
第二是分析稳定性。
然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。
这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。
首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。
另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。
为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。
此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。
最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。
该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。
2 光检测电路的SPICE模型2.1 光电二极管的SPICE模型一个光电二极管有两种工作方式：光致电压和光致电导，它们各有优缺点。
在这两种方式中，光照射到二极管上产生的电流ISC方向与通常的正偏二极管正常工作时的方向相反，即从负极到正极。
光电二极管的工作模型示于图2中，它由一个被辐射光激发的电流源、理想的二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成。
图2 非理想的光电二极管模型当光照射到光电二极管上时，电流便产生了，不同二极管在不同环境中产生的电流ISC、具有的CPD、RPD值以及图中放大器输出电压为0~5V所需的电阻RF值均不同，例如SD-020-12-001硅光电二极管，在正常直射阳光（1000fc［英尺-烛光］）时，ISC =30m A、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=167kW ;睛朗白天（100fc）时，ISC = 3m A、CPD=50pF、RPD= 1000 MW 、RF=1.67MW ;桌上室内光（1.167fc）时，I SC=35nA、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=142.9MW 。
可见光照不同时，ISC有显著变化，而CPD、RPD基本不变。
工作于光致电压方式下的光电二极管上没有压降，即为零偏置。
在这种方式中，为了光灵敏度及线性度，二极管被应用到最大限度，并适用于精密应用领域。
影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们会影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。
结电容CPD是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的。
耗尽层窄，结电容的值大。
相反，较宽的耗尽层（如PIN光电二极管）会表现出较宽的频谱响应。
硅二极管结电容的数值范围大约从20或25pF到几千pF以上。
结电容对稳定性、带宽和噪声等性能产生的重要影响将在下面讨论。
在光电二极管的数据手册中，寄生电阻RPD也称作“分流”电阻或“暗”电阻。
该电阻与光电二极管零偏或正偏有关。
在室温下，该电阻的典型值可超过100MW 。
对于大多数应用，该电阻的影响可被忽略。
分流电阻RPD是主要的噪声源，这种噪声在图2中示为ePD。
RPD产生的噪声称作散粒噪声（热噪声），是由于载流子热运动产生的。
二极管的第二个寄生电阻RS称为串联电阻，其典型值从10W 到1000W 。
由于此电阻值很小，它仅对电路的频率响应有影响。
光电二极管的漏电流IL是引发误差的第四个因素。
如果放大器的失调电压为零，这种误差很小。
与光致电压方式相反，光致电导方式中的光电二极管具有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。
当此电压加至光检测器上时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。
寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。
这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。
下面将集中讨论光致电压方式下的光电二极管的应用领域。
2.2 运放的SPICE模型运算放大器具有范围较宽的技术指标及性能参数，它对光检测电路的稳定性和噪声性能影响很少。
其主要参数示于图3的模型中，它包括一个噪声源电压、每个输入端的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容及与频率有关的开环增益。
输入差分电容CDIFF和输入共模电容CCM是直接影响电路稳定性和噪声性能的寄生电容。
这些寄生电容在数据手册中通常规定为典型值，基本不随时间和温度变化。
另一个涉及到输入性能的是噪声电压，该参数可模拟为运放同相输入端的噪声源。
此噪声源为放大器产生的所有噪声的等效值。
利用此噪声源可建立放大器的全部频谱模型，包括1/f噪声或闪烁噪声以及宽带噪声。
讨论中假设采用CMOS输入放大器，则输入电流噪声的影响可忽略不计。
图3 非理想的运放模型当运行SPICE噪声模拟程序时，必须使用一个独立的交流电压源或电流源。
为了模拟放大器的输入噪声RTI，一个独立的电压源VIN应加在放大器的同相输入端。
另外，电路中的反馈电阻保持较低值（100W ），以便在评估中不影响系统噪声。
图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益AOL（jw ），典型情况下，在传输函数中该响应特性至少有两个极点，该特性用于确定电路的稳定性。
在这个应用电路中，对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围。
一般而言，输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值，而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。
大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压以下0.3V 的共模范围。
由于同相输入端接地，此类性能非常适合于本应用领域。
当放大器对地的负载电阻为小于RF /10时，则单电源放大器的输出摆幅可最优化。
如果采用这种方法，最坏情况下放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的0.5%。
SPICE宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数。
一个放大器宏模型会具有适当的开环增益频率响应、输入共模范围和不那么理想的输出摆幅范围。
表1中列出了本文使用的三个放大器宏模型的特性。
光电二极管和放大器的寄生元件对电路的影响可容易地用SPICE模拟加以说明。
例如，在理想情况下，可以通过使用ISC的方波函数和观察输出响应来进行模拟。
2.3 反馈元件模型本应用中应该考虑的第三个即最后一个变量是放大器的反馈系统。
图4示出一个反馈网络模型。
在图4中，分离的反馈电阻RF也有一个噪声成分eRF和一个寄生电容CRF。
寄生电容CRF为电阻RF及与电路板/接线板相关的电容。
此电容的典型值为0.5p F到1.0pF。
CF是反馈网络模型中包含的第2个分离元件，用于稳定电路。
图4 图1所示系统反馈电路的寄生元件模型表1 本文提到的运放宏模型特性将三个子模型（光电二极管、运放和反馈网络）组合起来可组成光检测电路的系统模型。
如图5所示。
3 系统模型的相互影响和系统稳定性分析当光电二极管配置为光致电压工作方式时，图5所示的系统模型可用来定性分析系统的稳定性。
这个系统模型的SPICE能模拟光电二极管检测电路的频率及噪声响应。
尤其是在进入硬件实验以前，通过模拟手段可以容易地验证并设计出良好的系统稳定性。
该过程是评估系统的传输函数、确定影响系统稳定性的关键变量并作相应调整的过程。
该系统的传输函数为（2）图5 标准光检测电路的系统模型式（2）中，AOL（jw ）是放大器在频率范围内的开环增益。
b 是系统反馈系数，等于1/（1+ZF/ZIN）。
1/b 也称作系统的噪声增益。
ZIN是输入阻抗，等于RPD//1/［jw （CPD+CCM+ CDIFF）］;ZF是反馈阻抗，等于RF //1/［jw （CRF+CF）］。
通过补偿AOL（jw ）´b 的相位可确定系统的稳定性，这可凭经验用AOL（jw ）和1/b 的Bode图来实现。
图6中的各图说明了这个概念。
开环增益频率响应和反馈系数的倒数（1/b ）之间的闭合斜率必须小于或等于－20 dB/10倍频程。
图6中（a）、（c）表示稳定系统，（b）、（d）表示不稳定系统。
在（a）中，放大器的开环增益（AOL（jw ））以零dB随频率变化并很快变化到斜率为－20dB/10倍频程。
尽管未在图中显示，但这个变化是由开环增益响应的一个极点导致的，并伴随着相位的变化，在极点以前开始以10倍频程变化。