光電二極體運放電路的線性和如何減小偏置
光電二極體的輸出訊號可以作為電壓訊號監測,也可以作為電流訊號監測。但電流訊號具有更好的線性、偏移及頻寬效能。
將光電二極體連線至一個高負載阻抗時,就可實現電流到電壓的轉換。但這種簡單連線很難直接應用到光電轉換的微弱訊號放大電路中,因為容易產生非線性和較大的直流偏置,非線性是由電路產生的ep=VT Ln ip/ iS是對數變化引起,光電二極體的結電阻會與高負載阻抗分壓,產生直流偏置。採用電流檢測模式的跨阻放大電路是光電二極體前置放大電路的優先選擇。
下圖所示的電路,既能吸收二極體的電流,又不會產生跨過二極體的電壓,在運放輸入端不會產生任何明顯的電壓。在沒有加入RC時,利用輸入端虛地的概念,實現了二極體接入的零輸入阻抗。但由於IB-(和殘餘漏電流)流過Rf(通常與光電二極體一起使用的都是大阻抗的Rf)會產生一個顯著的直流偏移,從而引起電路輸出偏移。此時引入RC,它可以產生一個偏置分量,以此來抵消放大器輸入電流產生的偏置分量。當取RC=Rf 時,運放輸出訊號eo=ip ▪ Rf 。可見輸出電壓與光通量是一種線性關係
可以這樣理解這個反饋迴路:光電二極體產生的光電流ip首先與運放的高輸入阻抗作用產生輸入電壓,此電壓經運放開環增益放大後產生輸出電壓eo,而eo又經反饋迴路流向Rf,這樣二極體產生的電流就從放大器的輸入阻抗轉到流向Rf,從而恢復運放輸入端的虛地狀態。這一過程中,運放輸出電壓就等於二極體的光電流ip×Rf。
如果考慮漏電流iL,運放輸出偏置電壓可表示為 VOSO=(IB-▪Rf - IB+▪Rf) + IL▪Rf 。對於高增益光電二極體來說,IL很容易影響偏置效能。可見,隨意新增Rc來補償輸入偏置電流,可能會產生一個更大的二極體漏電流IL,從而導致總的偏置電壓變大,而不是變小,事與願違啊。
當然,從 VOSO的表示式中,我們也可以領略到,可通過減小Rf 來減小偏置。但如果在上圖電路中選擇直接減小Rf ,則會使eo 成比例減小。更好的辦法是使用T型反饋網路,如下圖示,T型反饋網路的等效反饋阻抗Rfeq=RfT + R1+Rft▪(R1/R2),RfT >>R1 >>R2 ,運放輸出訊號eo =Rfeq▪ip ≈ip▪(1+(R1/R2)▪Rft 。利用這種乘法關係,減小了對Rft 阻值的要求,由於T型反饋網路所使用的電阻阻值都較小,會提高電阻的精確匹配的概率,更有利於減小二極體的漏電流,從而使實際輸出的VOSO減小。