【導(dǎo)讀】Photo-Diode 光電二極管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件。它和常用二極管一樣，有單向?qū)ǖ奶匦?。色彩測量、發(fā)射光譜儀、氣體探測器、渾濁度計(jì)等應(yīng)用通常都是采用光電二極管來實(shí)現(xiàn)精密光學(xué)測量。
圖 1 光電二極管外型
圖 2 光電二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖 3 典型光電二極管傳遞函數(shù)特性圖
一、光電二極管的工作模式
光電二極管的基本原理是：通過吸收光能并照射到P-N結(jié)時(shí)將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常見有以下兩個(gè)工作模式：
● 光導(dǎo)模式（反向偏置）
● 光伏模式（零偏置）
圖 4 反向偏置
圖 5 零偏置
光導(dǎo)模式特點(diǎn)：
● 響應(yīng)速度快
● 暗電流大
● 影響線性度
光伏模式特點(diǎn)：
● 暗電流小
● 影響線性度
二、 光電二極管常用信號(hào)鏈
圖 6 常用信號(hào)鏈原理
如上圖所示，常用信號(hào)鏈總共分四級(jí)：
第一級(jí)信號(hào)鏈：
I-V轉(zhuǎn)換，一般PGA都做在第一級(jí)，因?yàn)殡娮璧臒嵩肼暫碗娏髟肼晻?huì)直接出現(xiàn)在輸出端，如果PGA做在后級(jí)，還會(huì)把前級(jí)的噪聲進(jìn)行放大，總的噪聲會(huì)變大。
第二級(jí)信號(hào)鏈：
放大，根據(jù)客戶具體信號(hào)的需求，可以省略。
第三級(jí)信號(hào)鏈：
濾波器，可以配置成低通，帶通，高通，需要根據(jù)具體需求而定，位置可以調(diào)到第二級(jí)。
第四級(jí)信號(hào)鏈：
ADC采樣，根據(jù)具體需求選擇ADC的精度和種類。
三、 光電二極管同步檢測信號(hào)鏈
圖 7 同步檢測信號(hào)鏈原理
同步檢測方法，在信號(hào)鏈加入了隔直和模擬開關(guān)，從而使信號(hào)翻轉(zhuǎn)。最終輸出直流信號(hào)去AD采樣，這樣就可以降低ADC的動(dòng)態(tài)特性要求，但是整體鏈路會(huì)復(fù)雜很多。具體如何選擇還是要看客戶需求。
四、 I-V 轉(zhuǎn)換放大器選型
I-V轉(zhuǎn)換在整個(gè)信號(hào)鏈中最為重要，選型是否合適會(huì)影響整個(gè)信號(hào)鏈性能的發(fā)揮。因?yàn)楣怆姸O管輸出為電流信號(hào)，所以放大器應(yīng)該選電流特性比較好的FET型。
需要關(guān)注的指標(biāo)如下：
● 失調(diào)電流
● 偏置電流
● 失調(diào)電壓
● 帶寬和壓擺率
● 噪聲和溫漂
每個(gè)指標(biāo)的選擇要根據(jù)客戶實(shí)際應(yīng)用。
比如：本系統(tǒng)光電二極管輸出電流范圍在1nA~1uA，系統(tǒng)精度要達(dá)到1%，那我們電路選型指標(biāo)基本要達(dá)到千分之一水平，這樣各級(jí)誤差累計(jì)再加上其他誤差，整個(gè)系統(tǒng)精度才能比較保險(xiǎn)的達(dá)到1%水平。光電二極管最小輸出1nA，那么失調(diào)電流，偏置電流基本要能達(dá)到1nA/1000=1pA。失調(diào)電壓要根據(jù)光電二極管偏置電壓要求來選，一般都能滿足要求。帶寬和壓擺率要根據(jù)信號(hào)的帶寬來選擇。噪聲和溫漂越小越好，但是價(jià)格也會(huì)比較高。
五、器件選型中間級(jí)運(yùn)放和ADC
中間級(jí)運(yùn)放
信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過前級(jí)放大，已經(jīng)有了較好的信噪比，中間級(jí)的運(yùn)放要求不是很高，選型時(shí)注意供電范圍，帶寬壓擺率，輸入輸出范圍，一般問題都不是很大，這里就不做具體型號(hào)推薦列舉說明。
ADC
ADC的選擇有很多，一般情況下16bit的SAR型ADC就夠用。如果客戶系統(tǒng)精度要求很高，但是對信號(hào)頻率不高，可以選用高bit的∑-△型。選型應(yīng)該注意考慮采樣速度，供電范圍，輸入范圍，增益誤差，INL，DNL等。
來源：8號(hào)線攻城獅
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