光电二极管放大电路设计的思考

张彬冰

摘 要：光电二极管是将光信号转换为电信号的电子元件，可实现对周围环境光量变化的实时监测。基本的放大电路结构简单，但在应用中容易受到干扰，限制较多。使用T型电阻网络替换原基本光电二极管放大电路的I-U转换电阻用以控制高增益工况时可能存在的残余偏移量；为了降低噪声在基本放大电路的基础上增加了一个噪声滤波复合放大电路，进而达到降噪和控制直流偏置的目的。

关键词：光电二极管；放大电路；设计

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.20.097

光电二极管的电压输出可达0.2～0.4V，能基本满足电路需求，但这种输出往往是非线性的，且输出带宽有限。而光电二极管的电流输出一般在几十到几百μA之间，尔后对电流再进行I-U转换，予以应用，可提高光电转化功效，改善输出特性。如此，须隔离光电二极管和它的电压信号输出。一般把带有放大器和I-U转换的电路成为基本的光电二极管（如图1所示）。

1 偏置

在光电二极管的设计使用中，光电二极管的漏电流和放大电路的输出电流会经过Rf反馈电阻，结果是放大电路输出端出现明显的直流偏置。

为减少直流偏置误差，使用T型电阻网络（如图2所示）来代替图1中的反馈电阻Rf。这个T电阻型网络中，Rft>>R1，R1>>R2，可产生与图1中Rf相同的反馈阻抗，但其阻抗值却远小于Rf。

电路设计过程中，首要的考虑因素就是电路的信号输入条件，反馈电路在放大电路的反相输入端接入了输出电流——Ip，这时Rft上就形成了电压Uft（Uft=IpRft），就是基础的I-U转换电路的输入电压。分压器R1—R2能够增大整个电路的输出电压e0。

2 噪声

图1所示的是基本的光电二极管放大电路结构，该结构中光电二极管为零偏压，对运算放大电路而言为高阻抗，使得放大电路因单位反馈系数的减少而形成了类似简单电路的电阻反馈，这就会增大整个电路的噪声增益，并使得这种噪声增益电压反映到了输出端。

噪声电流在反馈电阻上产生电压直接作用在电路的输出端，放大电路对它没有放大作用，电流噪声的平方与偏置电流成正比关系而与反馈电阻阻值的平方成反比。

3 降噪

圖4所示的电路在基本光电二极管放大电路后增加了一个运算放大器来控制噪声的带宽，可控制噪声带宽使其与信号带宽相同。该方案串联使用两个放大电路，且通过Rf返送到运算放大器U1的同相输出端，在保留负反馈的同时避免了两个放大电路在同一回路中的相位倒置问题。

在不断变化的工作频率中，放大电路U2起到积分电路的作用，随着频率的变化，开始放大电路U2起到积分电路的作用尔后开始起到衰减电路的作用。当电路在低频段工作，U2为复合反馈提供开环增益，而C1则主要是阻碍U2的本地反馈，二者的共同作用提高了电路低频工作时的准确性。在中频工作阶段，R1和C1构成的积分电路有效减小了U2的增益。当电路在高频段工作时，C1被短路，R1和R2形成的闭环效应负责控制U2的增益。其中：

UCL2=-R1/R2

当R2

输出噪声电压仿真结果如5所示，其中：

曲线1为未采用复合放大电路的噪声仿真结果统计曲线；

曲线2为使用复合放大电路的噪声仿真结果统计曲线。

从曲线1、2的对比上不难看出，使用复合放大电路能有效降低噪声的增益，同时能维持原信号带宽不变。

4 结论

综上分析可知，基本光电二极管放大电路问题较多。本文为降低高增益时的潜在偏移问题，在电路中使用T型电阻网络替换原反馈电阻，有效控制了残余偏移量。在基本光电二极管放大电路中，I-U转化电路噪声电流、电压较为复杂，本文加入新的放大电路与原放大电路进行串联，组成复合放大电路，在提供有效相位补偿的同时，提高了电路的低频增益，提高了响应的准确性，降低了只对噪声起作用的部分带宽，进一步降低了噪声。

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