光电二极管(光电二极管电路设计)
第一，光电效应
光照射半导体材料，释放电子空空穴对，产生电流。在PN结上施加反向偏置电压，可以扩大耗尽区，使更多的半导体材料成为载流子加速区。而是会增加暗电流的存在。光电流为:
r是通量响应率，φ e是辐射通量的幂。
1.1光导模式
在光电导模式下，有一个施加的偏置电压。在电路中测量的电流代表由设备接收的照明；测得的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使耗尽区宽度增加，响应度增加，结电容减小，响应度趋于直线。在这些条件下，很容易产生较大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料来限制其尺寸。
1.2光伏模式
在光伏模式下，光电二极管零偏置。器件的电流被限制以形成电压。这种操作模式利用了光伏效应。在光伏模式下工作时，暗电流最小。
二、等效电路
图1等效电路
电流ip代表光电二极管信号，二极管再现正向偏置状态的电压条件。RD表示二极管的暗电阻，即零偏置时的结电阻。对于大多数应用，暗电阻的阻值很大，流过的电流很小，可以忽略不计。寄生电容CD将对大多数光电二极管应用产生深远影响。由电容引起的稳定性、带宽和噪声优化将在后面讨论。
图2等效简化电路
因为暗电阻的影响很小，所以简化的模拟电路忽略了暗电阻。因为通常的特性曲线测量属于低频区，电容CD也忽略不计。利用这个模型，我们可以得到特性曲线。
图3特性曲线
在光伏模式下，即偏压为零的模式下。负载接通后，部分光电流流过二极管产生电压ed。流经二极管的电流由二极管的电流方程获得:
流经负载的电流从图1中获得:
ID是二极管的反向饱和电流，也可以称为光电二极管的暗电流。Vt是半导体的热电压，vt = kt/q. K:玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K，T:热力学温度，Q:电子电荷
IL是非线性的，如果你想降低这种非线性的比例，只能让它变小，那么你只能让RL+RS变小，那么RL为0；因此，当输出短路时，线性度最佳。
第三，带宽和稳定性
3.1初步知识
在讲带宽和稳定性之前，为了跟上陈骁的思路，我们先来了解或回顾一下传递函数、波特图、反馈等概念。
传递函数
在线性时不变系统初始状态为零的情况下，系统输出拉普拉斯变换与系统输入拉普拉斯变换之比就是传递函数。
零极点表示为:
P1:波兰
ωz1:零点
波特图
振幅的频率响应是电压增益变化和频率变化之间的关系。这种关系可以通过波特图上以分贝(dB)表示的电压增益比频率(Hz)曲线来描述。
图4波特图
其中包括:
(1)减速(Deceleration)-频率增加x10或减少x1/10，
10Hz到100 Hz是十年；
(2)倍频程(octave)——频率增加x2或减少x1/2，从10Hz到20 Hz为一个倍频程；
(3)20dB/十倍频程= 6dB/八度；
3.1.3示例
图5 RC低通滤波器
(1)通过复阻抗方法获得的传递函数为:
根据传递函数，电路有一个单极:
也就是
(2)振幅频率特性
当S=ωj时，根据复模量的计算:
ω=ω1=0.1/RC时20LG(aω)= 0dB；
当ω=ω2=1/RC时，20LG(Aω)=-3dB；
ω=ω3=10/RC时20LG(aω)=-20dB；
通过上面的分析计算，可以得出-3dB/十倍频程的变化发生在ω1到ω2，而-20dB/十倍频程的变化发生在ω2到ω3，也就是说ω2的幅度滚降，也就是教材上的截止频率点。从第一步可以看出，极点也发生在这一点。
(2)相频特性
根据复溶液相可以得到:
当ω=ω1=0.1/RC时，相位为0；
当ω=ω2=1/RC时，相位为-45°；
当ω=ω3=∞时，相位为-90°；
通过以上分析计算，极点在频率上有-45°的相移。相位极点两侧的-45°/十进制斜率变为0°和-90°。
根据(2)和(3)，波特图如下:
图6 RC低通滤波器的波特图
3.1.4反馈
在放大电路中，输出的一部分或全部通过一定的电路形式反馈到输入端，然后与输入信号叠加后送到放大器，这就是所谓的反馈。
图7放大器增益模型
基本参数公式:
(1)开环放大:
(2)反馈系数:
(3)净投入:
(4)闭环放大:
电路稳定性标准
判断电路是否稳定，首先要知道电路不稳定和振荡的条件。根据教科书，我们知道振荡的条件是:
(1)振幅平衡的条件
βAol≥1，其中βAol>1为振荡条件，βAol=1为维持条件。
(2)相平衡条件
φ=2nπ，即正反馈。
稳定性的标准是:
在fcl频率下，当Aolβ= 1 (0dB)时，相移为:
所需的相位裕度(与+/-180°相移的距离)≥ 45。
在运算放大器电路中，相位和频率的分析对我们来说是比较麻烦的。如果只分析稳定性，可以在Aol曲线上画一条1/β曲线(数据手册中有)，有一种简单的一阶稳定性校核方法叫做“关闭速度”。这个关闭速度稳定性检查定义为fcl上1/β曲线和Aol曲线的“关闭速度”(此时环路增益为0dB)。40db/十进制的关闭速度意味着不稳定。
3.2带宽和稳定性
图8光电二极管(TIA)基本放大器电路模型
根据图8，CIN=Cj+CD+CCM。
则1/β的传递函数为:
(1)无反馈电容的传递函数CF
(2)带反馈电容CF的传递函数
没有反馈电容时，电路中存在零fz=1/2πRF CIN。当CIN足够大时，波特图如下:
图9无反馈电容时的波特图
从波特图可以看出，闭合率为-40dB/十进制的电路是不稳定的。
有反馈电容，电路有零点。
有一根杆子。
只要保证fp≤f0(零点的相交频率点)，就可以实现相位补偿，电路的闭合率可以是-20dB/ decade，从而保证电路的稳定性。如下图:
图10带反馈电容的波特图
想知道f0的大小，只有推导出整个电路的传递函数才能知道。这里借鉴德州仪器的公式。
从上面的描述可以看出，fp≤f0，所以
(来自ADI)。因为fp≥fs(信号频率)，所以
这两个公式是工程师在早期设计时用来确定参数的，调试电路需要微调，因为不同的PCB布局会导致不同的分布电容。
如果fc处的峰值增益为1+CIN/CF，则闭环带宽为:
电路要稳定，要求fc≥fp。因此
也就是
四。噪声分析
4.1在分析电路的噪声之前，我们要知道运算放大器电路的噪声，包括电压噪声、电流噪声和电阻的热噪声。
(1)电压噪声
包括宽带电压噪声和1/f电压噪声。
宽带电压噪声:
BWn:噪声带宽fcKn，fc=GBP/G(增益)，会用GBP规范来写。
电路顺序
（=knot）海里
一个
1.57
2
1.22
三
1.16
四
1.13
五
1.12
Eb:从规范中的电压噪声密度曲线读取。
1/f(0.1~10Hz)电压噪声:
Efnorm:归一化1/f电压噪声至1Hz
Eat_f:从规范中的电压噪声密度曲线读取；
f:1Hz；
飞行高度:0.1赫兹.
的总电压噪声为:
(2)电流噪声
Ib:会给出规格的。
(3)电阻的热噪声
k:玻尔兹曼常数1.38 * 10-23J/k；
t:开尔文温度(273K+℃)
Req:等效电阻。
(4)总输入噪声(RTI RMS)
(5)输出噪声(RTO RMS)
(6)估算RTO的峰峰值噪声
根据正态分布函数:
4.2图8的噪声分析
电流运算放大器的电流噪声密度很小，我们基本可以忽略不计。
图11噪声主导区域
从上图可以看出，光电二极管放大电路的反馈电阻一般在100K左右，所以电阻区间是占优势的区域。则电路的信噪比为:
因此，只要噪声在电阻主导的区域，提高Rf就可以提高电路的信噪比。
4.3外部噪音
外部噪声主要表现为静电耦合，属于共模信号。如果你想消除共模信号，你应该让运算放大器差分使用。如下图:
图12差分输入电路
当R1=R2时，偏置电流可以消除。因为运算放大器的内部是对称的，所以运算放大器输入端的偏置电流IB-=IB+，因此:
动词 （verb的缩写）摘要
经过以上分析，最终得到以下电路:
图13最终设计电路
C1、C2、R1和R2是EMC的保留地。应该指出，C1和C2不能太大。R1和R2的电阻值应尽可能为0 ω。Cc用于滤除Rc的热噪声。为了给运放足够的动态范围，因为即使运放是轨到轨，也不能保证完全输出到轨。增加Vref是为了让运算放大器远离负轨，减少误差。
从上面的分析，我们应该对运算放大器相关的电路有一定的了解。不同的电路分析方法是相似的。虽然我们不能用数学的方法展示电路的所有特征，但关键点很容易推导和分析。有了数学表达式，我们可以清楚地看到电路的一些特性，帮助我们提高电路的性能和可靠性。
