光电二极管原理及前置放大器电路详解

在用于光检测的固态检波器中，光电二极管仍然是基本选择。光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。

设计过程中，经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。响应度是检波器输出与检波器输入的比率， 是光电二极管的关键参数。 其单位为 A/W 或 V/W。

前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。 光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导(图 2)。

图 3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过“零偏压”光电二极管实现的。在此配置中，光电二极管发现输出间存在短路，按照公式 3 (Isc =Ilight)，基本上不存在“暗”电流。

光电二极管暴露在光线下且使用图 2c 的电路时，电流将流到运算放大器的反相节点，如图 3 所示。若负载(RL)为 0 Ω且 VOUT = 0 V，则理论上光电二极管会出现短路。实际上，这两种状况都绝对不会出现。RL 等于 Rf/Aopen_loop_Gain，而 VOUT 是放大器反馈配置施加 的虚拟地。

图 4所示电路是一个高速光电二极管信 号调理电路，具有暗电流补偿功能。系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器(ADC)的输入。该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。

光电二极管工作时采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光导)模式。光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。在反向偏置条件下，存在少量的电流(称为暗电流)，它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图4所示。

图4. 具有暗电流补偿功能的光电二极管前置放大器系统(原理示意图：未显示所有连接和去耦)