【導讀】Photo-Diode 光電二極管，內部結構是由一個(gè)PN結組成的半導體器件。它和常用二極管一樣，有單向導通的特性。色彩測量、發(fā)射光譜儀、氣體探測器、渾濁度計等應用通常都是采用光電二極管來(lái)實(shí)現精密光學(xué)測量。
圖 1 光電二極管外型
圖 2 光電二極管內部結構
圖 3 典型光電二極管傳遞函數特性圖
一、光電二極管的工作模式
光電二極管的基本原理是：通過(guò)吸收光能并照射到P-N結時(shí)將其轉換成電信號。常見(jiàn)有以下兩個(gè)工作模式：
● 光導模式（反向偏置）
● 光伏模式（零偏置）
圖 4 反向偏置
圖 5 零偏置
光導模式特點(diǎn)：
● 響應速度快
● 暗電流大
● 影響線(xiàn)性度
光伏模式特點(diǎn)：
● 暗電流小
● 影響線(xiàn)性度
二、 光電二極管常用信號鏈
圖 6 常用信號鏈原理
如上圖所示，常用信號鏈總共分四級：
第一級信號鏈：
I-V轉換，一般PGA都做在第一級，因為電阻的熱噪聲和電流噪聲會(huì )直接出現在輸出端，如果PGA做在后級，還會(huì )把前級的噪聲進(jìn)行放大，總的噪聲會(huì )變大。
第二級信號鏈：
放大，根據客戶(hù)具體信號的需求，可以省略。
第三級信號鏈：
濾波器，可以配置成低通，帶通，高通，需要根據具體需求而定，位置可以調到第二級。
第四級信號鏈：
ADC采樣，根據具體需求選擇ADC的精度和種類(lèi)。
三、 光電二極管同步檢測信號鏈
圖 7 同步檢測信號鏈原理
同步檢測方法，在信號鏈加入了隔直和模擬開(kāi)關(guān)，從而使信號翻轉。最終輸出直流信號去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 )復雜很多。具體如何選擇還是要看客戶(hù)需求。
四、 I-V 轉換放大器選型
I-V轉換在整個(gè)信號鏈中最為重要，選型是否合適會(huì )影響整個(gè)信號鏈性能的發(fā)揮。因為光電二極管輸出為電流信號，所以放大器應該選電流特性比較好的FET型。
需要關(guān)注的指標如下：
● 失調電流
● 偏置電流
● 失調電壓
● 帶寬和壓擺率
● 噪聲和溫漂
每個(gè)指標的選擇要根據客戶(hù)實(shí)際應用。
比如：本系統光電二極管輸出電流范圍在1nA~1uA，系統精度要達到1%，那我們電路選型指標基本要達到千分之一水平，這樣各級誤差累計再加上其他誤差，整個(gè)系統精度才能比較保險的達到1%水平。光電二極管最小輸出1nA，那么失調電流，偏置電流基本要能達到1nA/1000=1pA。失調電壓要根據光電二極管偏置電壓要求來(lái)選，一般都能滿(mǎn)足要求。帶寬和壓擺率要根據信號的帶寬來(lái)選擇。噪聲和溫漂越小越好，但是價(jià)格也會(huì )比較高。
五、器件選型中間級運放和ADC
中間級運放
信號已經(jīng)經(jīng)過(guò)前級放大，已經(jīng)有了較好的信噪比，中間級的運放要求不是很高，選型時(shí)注意供電范圍，帶寬壓擺率，輸入輸出范圍，一般問(wèn)題都不是很大，這里就不做具體型號推薦列舉說(shuō)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(hù)系統精度要求很高，但是對信號頻率不高，可以選用高bit的∑-△型。選型應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(lái)源：8號線(xiàn)攻城獅
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