如何为互阻抗放大器电路选择组件

在高精度光电转换应用中，我们经常使用光电二极管和互阻抗放大器将光信号转换为电信号，并将其放大。如图 1 所示，通过 R1 的光电流可在放大器输出端产生电压，实现电流电压转换。这是最简单、最常用的光电转换电路。本文将介绍如何在已有光电二极管的情况下选择放大器，如何在已有放大器的情况下选择光电二极管，以及如何优化反馈电阻器 R1 及补偿电容器 C1。

图 1：最简单的常用光电转换电路

图 2 是开环增益 (Aol)、互阻抗(电流至电压 I-V)增益以及整个频率下的噪声增益。根据图 2，在互阻抗电路设计过程中，我们必须考虑零点、极点以及放大器 GBW (fc)，以满足系统要求。

图 2：互阻抗放大器的频率响应

硅光电二极管、PIN 二极管和 APD 二极管是三种典型的光电二极管。硅光电二极管专为高精度光度测定领域设计，因为它们具有高灵敏度与低暗电流。PIN 二极管能够以低偏置电压提供大带宽，一般用于高速光度测定与光通信。APD 二极管具有高内部增益机制、快速时间响应以及紫外至近红外区的高灵敏度，主要用于高速远距离光通信系统。

硅光电二极管的主要规范有光谱响应、光灵敏度、暗电流、终端电容、分流电阻、响应时间以及噪声等效功率。运算放大器规范也很重要。在本应用中，我们更关注放大器的偏置电流、失调、GBW、噪声、输入电容以及输出轨。选择运算放大器时，首先应选择 JFET 或 CMOS 放大器。JFET 与 CMOS 输入放大器具有极低的偏置电流，非常适合光电转换。

在光电二极管规范确定后，如何选择放大器、 R1 和 C1 ：

在本部分中，我们将探讨在指定了系统带宽 (BW0) 和光电二极管特征(光电二极管结点电容 Cd 和光电二极管分流电阻 Rsh)的情况下如何选择组件。目标是选择放大器、反馈电阻器和补偿电容器。现在我们已知的参数有 BW0、Cd 和 Rsh。在光电转换过程中，输出噪声可影响电路灵敏度。光电二极管在应用中的最大输出电流由输入光学功率以及光电二极管规范决定。因此，我们可通过在开始进行计算或测量来确定光电二极管的最大输出电流 Iomax。

放大器具有输出轨限制，从来不会超过电源范围。某些放大器输出轨非常接近电源轨，而某些输出轨却有极大限制。我们可以参考运算放大器产品说明书，了解具体电轨限制。为让放大器工作在线性区域，我们必须限制反馈电阻器的值。在设计电路时，可能会有放大器偏置电流、输入失调以及二极管暗电流造成的大量输出失调。输出失调不仅会限制放大器的 AC 动态范围，而且还会限制反馈电阻器的值：

如果 R1 太小，放大器 AC 输出动态范围就很浪费。另一方面，大型 R1 会增大电路输出噪声，如图 3 所示。

图 3：反馈电阻器对噪声增益的影响

较大电路带宽需要较小补偿电容，但较小补偿电容将增大噪声增益，导致输出更大噪声，降低分辨率，如图 4 所示。

图 4：补偿电容对噪声增益的影响

图 5：光电二极管终端电容器对电路噪声增益曲线的影响

从图 5 可以明显看出，对于较小光电二极管电容而言，总体噪声更理想。因此我们需要选择电容较小的光电二极管。结点电容与扩散面积成正比，与耗尽区宽度成反比。扩散面积与灵敏度成正比。如果通过缩小耗尽区来降低结点电容，也会导致光电二极管灵敏度下降。在这种情况下，我们需要增大互阻抗来放大信号。使用极大值的反馈电阻器对电路性能不利，原因有几个。首先我们可以看到，使用较大反馈电阻器增大了噪声带宽，而且电阻器本身也在电路中产生了额外的热噪声(见图 3)。其次，如果我们使用极大的电阻器来确保带宽，我们就必须使用较小的补偿电容。图 4 是使用较小补偿电容会增大噪声增益的情况。最后，大型电阻器及二极管的暗电流还会在输出端造成较大的失调，其将限制电路的动态范围。

此外，该电容还取决于反向偏置电压。在光电二极管上应用反向电压以减少结点电容，从而降低噪声，是一种值得考虑的方法。但仍然需要注意来自反向偏置电压源的噪声。我们可使用 LPF 滤除偏置噪声。该 LPF 必须使用小阻值电阻器，以防止调制光电二极管上的电压。

图 6：摘自产品说明书的 S2551 规范

图 7：OPA314 的主要规范

这是一款支持 0.2pA 偏置电流的轨至轨输入输出放大器。3MHz 单位稳定 GBW 放大器只有 150uA 的静态电流。内部 RF/EMI 滤波器可在恶劣电磁环境中提高电路性能。其低噪声与低失调可满足该应用需求。

因此 OPA314 是满足该需求的理想选择。尽管如此，我们仍然需要使用所选放大器的真实规范再次验证：

图 8：仿真电路

图 9：设计电路仿真输出

总结

本文主要介绍了如何为光电转换应用选择放大器、反馈电阻器及补偿电容器，并介绍了用于帮助我们为任何光电二极管或放大器选择组件的六步选择法。随后还提供了一个真实电路设计与仿真案例，用于演示该六步选择法。它为在互阻抗电路设计中选择和优化噪声相关型组件提供了一个简单的方法。但由于优化值并未考虑印刷电路板寄生因素，在许多实际案例中可能需要进行调整。在互阻抗电路输出之后使用一个 LPF 还可降低噪声。