許多常用傳感器的輸出阻抗超過(guò)幾兆歐，因此，其相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，以滿足低偏置電流、低噪聲和高增益的要求。本文分析介紹光電二極管前置放大器，文中討論了與高阻抗傳感器信號(hào)調(diào)理電路有關(guān)的問(wèn)題，并提供了實(shí)際 解決方案。
光電二極管前置放大器設(shè)計(jì)
光電二極管在受到光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與照度成正比的小電流，因此是很好的光 電傳感器，可廣泛應(yīng)用于精密光度計(jì)、高速光纖接收器等領(lǐng)域。
光電二極管的等效電路如圖1所示 。光電二極管靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法之一是對(duì)來(lái)自嚴(yán)格定義的光源給定的光強(qiáng)確定它的短路電流ISC。最常用的光源是工作在2 850K色溫下的白熾鎢燈。在100fc(呎-燭光)照度(相當(dāng)于陰天的光強(qiáng))下，對(duì)于小面積(小于1mm2)二極管的短路電流通常是數(shù)皮安(pA)到數(shù)百微安(μA)。

短路電流在6~9個(gè)數(shù)量級(jí)的光強(qiáng)范圍呈理想線性變化，因此常被用作絕對(duì)光強(qiáng)的測(cè) 量。光電二極管兩端的開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)變化，但因?yàn)槠錅囟认禂?shù)很大，所以二極管電壓很少用于光強(qiáng)的精密測(cè)量。
分路電阻RSH在室溫下通常是1000MΩ左右，且溫度每增加10 ℃就減少1/2。二極 管電容CJ隨結(jié)面積和二極管偏壓而變化，對(duì)于結(jié)面積很小的二極管，零偏壓時(shí)的 典型CJ是50pF。
光電二極管可以以兩種模式工作，一是零偏置工作(光伏模式,如圖2a)，一是反偏置工作(光導(dǎo)模式,如圖2b)。在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確地線性工作； 而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性。在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流，叫做暗電流(無(wú)照電流)。在零偏置 時(shí)則沒(méi)有暗電流，這時(shí)二極管噪聲基本上是分路電阻產(chǎn)生的熱噪聲。在反偏置時(shí) ，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。在設(shè)計(jì)光電二極管過(guò)程中，通常 是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)的，而不是兩種模式的使用都是 最優(yōu)化。
將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為可用電壓的簡(jiǎn)便方法,是用一個(gè)運(yùn)算放大器作為電流—— 電壓轉(zhuǎn)換器(如圖3所示)。二極管偏置由運(yùn)算放大器的虛地維持在零電壓，短路電 流即被轉(zhuǎn)換為電壓。在最高靈敏度時(shí)，該放大器必須能檢測(cè)30pA的二極管電流。 這意味著反饋電阻必須非常大，而放大器偏置電流必須極小。例如，對(duì)于30pA的 偏置電流，1000MΩ反饋電阻將產(chǎn)生30mV的相應(yīng)電壓。因?yàn)樵俅蟮碾娮枋遣磺袑?shí)際 的，所以對(duì)于最高靈敏度的情況使用1000MΩ。這樣對(duì)于10pA的二極管電流，放大 器將給出10mV輸出電壓；而對(duì)于10nA的二極管電流，輸出電壓為10V。這樣便給出 60dB的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于更大的光強(qiáng)值，必須使用較小的反饋電阻來(lái)降低電路增益 。對(duì)于這個(gè)最高靈敏度范圍，我們應(yīng)能很容易區(qū)分無(wú)月夜的光強(qiáng)(0.001fc)和滿月夜的光強(qiáng)(0.1fc)。

注意，為了要獲得最大的信噪比(SNR)，我們應(yīng)當(dāng)選擇從一級(jí)電路而不是兩級(jí)電路 的級(jí)聯(lián)來(lái)獲得盡可能高的增益。如果我們將反饋電阻減小為原來(lái)的一半，則信號(hào)強(qiáng)度則降為原來(lái)的1/2，而反饋電阻產(chǎn)生的噪聲√4KTR·帶寬僅降低√2倍。假定閉環(huán)帶寬保持不變，這將使SNR減小3dB。在下面的分析中，我們將看到電阻是對(duì)總輸出噪聲影響最大的因素之一。

要精確測(cè)量數(shù)10pA范圍的光電二極管電流，運(yùn)算放大器的偏置電流不應(yīng)大于數(shù)皮 安，這就大大縮小了選擇的余地。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OP07是一種超低失調(diào)電壓（10μV） 的雙極型運(yùn)算放大器，但是其偏置電流達(dá)4nA（4000pA）。盡管帶偏置電流補(bǔ)償?shù)?超　雙極型運(yùn)算放大器（例如OP97），在室溫下的偏置電流大約有100 pA，但是 因?yàn)樗幌驠ET那樣溫度每升高10℃偏置電流就增加一倍，所以對(duì)于很高溫度下的 應(yīng)用很合適。我們選擇帶FET輸入的“靜電計(jì)級(jí)”運(yùn)算放大器作為光電二極管前置 放大器，因?yàn)樗仨氈还ぷ髟谥付ǖ臏囟确秶鷥?nèi)。這類(lèi)器件采用BiFET工藝制造， 使用P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET作為輸入級(jí)（參見(jiàn)圖4）。運(yùn)算放大器電路的其 余部分使用雙極型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。為使失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移減至最小，Bi FET運(yùn)算放大器在芯片工藝中采用了激光微調(diào)技術(shù)。失調(diào)電壓漂移通過(guò)下列調(diào)整過(guò) 程減至最�。菏紫任⒄{(diào)輸入級(jí)，使構(gòu)成一對(duì)差動(dòng)電路的兩個(gè)JFET中的電流相等； 然后，微調(diào)JFET源電阻，將輸入失調(diào)電壓減至最小。選擇AD795作為光電二極管前 置放大器，其主要性能如下：
·失調(diào)電壓：在 25℃時(shí)，最大為250μV（K 級(jí)）
·失調(diào)電壓漂移：最大為3μV/℃