光電(diàn)二极管電(diàn)路中实现低频精度和改善带宽的技巧

2021-01-15

光電(diàn)二极管产生的電(diàn)流在纳安和低微安范围内。在像这样的微小(xiǎo)潮流下，我们经常忽略的非理(lǐ)想行為(wèi)会变得很(hěn)明显甚至成问题。

运算放大器输入偏置電(diàn)流

首先，仔细研究运算放大器的输入偏置電(diàn)流规格。理(lǐ)想情况下，零電(diàn)流流入或流出输入端子，并且所有(yǒu)光電(diàn)流都流经TIA的反馈電(diàn)阻器，并有(yǒu)助于输出電(diàn)压。

不幸的是，现实生活中的运算放大器需要一些输入偏置電(diàn)流，而在其他(tā)应用(yòng)中可(kě)以忽略的偏置電(diàn)流可(kě)能(néng)会在光電(diàn)二极管系统中产生无法接受的误差。在非零偏置電(diàn)流的情况下，一些光電(diàn)流被转移到运算放大器的输入级，并且如果光電(diàn)流在低纳安范围内，则不需要花(huā)费很(hěn)大的電(diàn)流分(fēn)流即可(kě)严重改变放大器报告的测量值。

图1. 此图说明了光電(diàn)二极管的某些光電(diàn)流如何用(yòng)作输入偏置電(diàn)流，因此对输出電(diàn)压无贡献。在这种配置中，光電(diàn)二极管被正電(diàn)压反向偏置，并且二极管的方向导致光電(diàn)流流向输出节点。  

通常，您将需要具有(yǒu)FET输入级的运算放大器。BJT吸收了过多(duō)的偏置電(diàn)流。但是，即使FET输入级也具有(yǒu)IC输入電(diàn)路中常见的保护二极管。这些二极管具有(yǒu)泄漏電(diàn)流，并且随着温度升高，该泄漏電(diàn)流变得更加重要。如果要设计用(yòng)于高温应用(yòng)的光電(diàn)二极管放大器，请确保检查高温规格！     

适用(yòng)于TIA应用(yòng)的运算放大器可(kě)实现极低的输入偏置電(diàn)流。例如，我进行了快速搜索，找到了ADI公司的LTC6268。在室温下，其泄漏電(diàn)流仅為(wèi)几飞安。但是，在125°C下，规格為(wèi)4皮安（最大值），增加了三个数量级！

PCB泄漏

其次，我们需要记住，PCB走線(xiàn)没有(yǒu)被提供无限電(diàn)阻的材料所包围。如果到光電(diàn)二极管的连接靠近走線(xiàn)或倾倒的铜線(xiàn)，会产生明显的電(diàn)势差，则流经PCB的DC泄漏電(diàn)流可(kě)能(néng)足够大，从而引起误差。

光電(diàn)二极管的输入信号通过一条走線(xiàn)，该走線(xiàn)通往运算放大器的反相输入端子。反相输入端子通常位于地或附近，因為(wèi)同相输入端子保持在地或较小(xiǎo)的偏置電(diàn)压。因此，更可(kě)能(néng)引起泄漏電(diàn)流问题的走線(xiàn)是那些電(diàn)压不接近零的走線(xiàn)，例如正或负電(diàn)源電(diàn)压。為(wèi)了最大程度地提高精度，请在这些走線(xiàn)和光電(diàn)二极管输入走線(xiàn)之间（在合理(lǐ)范围内）保留尽可(kě)能(néng)多(duō)的空间。

扩展带宽

许多(duō)光電(diàn)二极管应用(yòng)不需要高频响应，这使寿命变得更容易，因為(wèi)即使在速度不是主要问题的情况下，设计优化的光電(diàn)二极管電(diàn)路也很(hěn)困难。当您对混合带宽提出要求时，情况可(kě)能(néng)会变得非常具有(yǒu)挑战性。

 

 

但是，在高速光電(diàn)二极管应用(yòng)中，最佳的反馈電(diàn)容量可(kě)能(néng)非常小(xiǎo)-在某些情况下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小(xiǎo)于1 pF。在高增益应用(yòng)中尤其如此，因為(wèi)随着反馈電(diàn)阻的增加，对反馈電(diàn)容的需求也会减少。

因此，宽带光電(diàn)二极管TIA可(kě)能(néng)不需要CF，这是因為(wèi)反馈极不在产生不稳定的频率上，或者因為(wèi)反馈路径具有(yǒu)很(hěn)大的寄生電(diàn)容，所以不需要故意安装的電(diàn)容器。

图3.反馈電(diàn)容器已被与反馈電(diàn)阻器相关的寄生電(diàn)容所取代。 

更进一步，我们看到寄生電(diàn)容实际上可(kě)能(néng)大于所需的补偿電(diàn)容。在这种情况下，寄生電(diàn)容不必要地限制了TIA的带宽，设计人员的任務(wù)是减少反馈電(diàn)容以增加带宽。

在具有(yǒu)短走線(xiàn)的紧凑布局中，我们无法做很(hěn)多(duō)事情来减小(xiǎo)反馈路径中铜连接的電(diàn)容。但是，我们可(kě)以减少与反馈電(diàn)阻器相关的寄生電(diàn)容。

首先，我们可(kě)以尝试修改電(diàn)阻器的PCB尺寸。从理(lǐ)论上讲，可(kě)以通过减小(xiǎo)電(diàn)阻器端盖的平行板面积和增加端盖之间的距离来减小(xiǎo)電(diàn)容。接下来，我们可(kě)以通过在電(diàn)阻器PCB占位焊盘之间的接地走線(xiàn)来减小(xiǎo)端对端電(diàn)容。