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博文連載：看一個TI老工程師如何馴服精密放大器 看到技術論壇上出現不少關于光電二極管和相關電路的問題，針對這方面內容，我想跟更多同行做個分享。這些知識是所有模擬設計者所必須了解的。 一個典型的光電二極管模型包含以下關鍵元素，一個二極管并聯一個電流源，并且電流源與光強成正比。寄生元件CD和 RD 會影響器件性能。 
光伏模式-光電流在如圖2所示的環路中流動，并且給二極管提供正向偏置。由于二極管的電壓電流間成對數關系，因此空載的輸出電壓與光電流間近似成對數關系，并且通過RD 上的一個小電流得到修正。所以輸出電壓與光強之間是高度非線性的關系。某些應用將很受益于對數關系,因為在很大的范圍內，光強的改變(眼睛是完美的對數型) 會使電壓發生類似的改變。由于二極管電壓電流特性與溫度相關， 電壓與光強之間的絕對關系很差。
在光伏模式下，二極管電容限制了頻率響應。光強的快速改變會對CD進行充放電。這并不是用于快速響應的模式。 輸出端可以引入緩沖，或者輸出端也可以進行同相放大。為了實現低的輸入偏置電流，可以使用CMOS或者JFET的運算放大器。從而在低的光強的情況下，運放不至于成為光電二極管的負載。 在光伏模式下的輸出功率，當輸出端引入負載時電壓會有明顯的下降。為了輸出最高的功率，所采用的負載值由光強決定。 光敏模式-二極管電壓為常量，如圖3所示，通常為0V。通常會使用跨阻放大器來將光電流轉換為電壓。可以通過對光電二極管加反向偏置的方法來降低它的電容，但這會造成暗電流的泄露。當二極管兩端沒有正向電壓的時候，響應與光強之間是成線性關系的。此外，二極管電容兩端的電壓不會隨著光強的改變而改變，因此頻率響應大大改善了。由于電容在負反饋的回路中形成了一個極點，因此很有必要降低電容的值。為了實現穩定性的，通常引入一個反饋電容CF。
僅僅通過加載一個大約50歐姆左右的阻值的光電二極管，你就可以從光敏模式中得到很多益處。如果二極管電壓沒超過20 mV，就沒必要對二極管進行正向偏置，同時響應也是是合理的并且快速的。然而靈敏度會很低。 雪崩式光電二極管是特殊的模式，需要對其提供接近于擊穿電壓的反向偏置電壓。這就使得在低光強的情況下，輸出電流可以被放大。 選擇光電二極管的時候會存在很多權衡，包括光電二極管的尺寸，電容，噪聲，暗電流以及封裝類型。一般來說，最好是選用較小的同時帶有反射器或者透鏡可以聚集光源的光電二極管。德州儀器沒有生產單獨的光電二極管，然而對于很多基本的應用，將光電二極管和跨阻放大器集成在一塊芯片上的OPT101會提供一個完整的解決方案。 我知道許多工程師專職設計光電二極管電路，對于高性能的應用，還有很多需要學習的東西。我在這方面并不是一個權威，但我愿把我的所知拿來與大家分享。事實上，對于我的大部分話題，我都不是權威。這也就是我不寫書，而僅僅寫博客的原因。 感謝閱讀。我們很樂意知道你是否為了一個不平常的目的使用了光電二極管?另外，歡迎專家給出一些評論或建議。 |
