技术文章 MS-2394 成功实现超低光信号转换的七个 步骤 光能传输到其中一个传感器产生电流，由高精度前置放大 作者：Reza Moghimi，ADI公司应用工程师经理 为七步： 在用于光检测的固态检测器中，光电二极管仍然是基本选择 1. 描述要测量的信号和设计目标。 (图1)。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。 器进一步处理。模数转换和数字信号处理形成了整个信号 链的其余部分。选择传感器和设计模拟前端的过程可减少 2. 选择合适的传感器并描述其电气输出。 3. 确定可以获得的最大增益。 4. 确定前置放大器级的最优放大器。 5. 设计完整的传感器和前置放大器增益模块。 6. 运行仿真。 7. 构建硬件和进行校验。 图1. 光电二极管等效电路 Page 1 of 10 www.analog.com ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. MS-2394 第1步：信号和目标 ISC × R source I × R source I SC = I light − I S e VT −1 − SC R photo 根据图1的等效电路，输出电流的算式为： Vdiode I out = I light − I diode − I dark = I light - I S e Vr − 1 − I dark (1) 若要将光转换为电信号进一步处理，需要了解光源的交直 (2) 公式2中，第二项和第三项限制了Isc的线性度，但从广义上 讲可以忽略。实际上，Isc 与入射光水平基本上呈线性关 系，可以近似为： ISC = Ilight 流特征、光源信号幅度、预期的测量分辨率和系统中可用 (3) 的电源。了解信号幅度特征和噪声水平，为如何选择传感 若要检测少量光，设计师必须指定大面积光电二极管，其 器、增益模块中必需的增益、以及选择模数转换器(ADC)时 最低预期发射光乘以响应度得到的电流要大于光电二极管 可能需要什么样的输入电压范围和噪声水平提供了依据。 的暗电流。这将产生高于光电二极管传感器本底噪声的信 假设在室温条件下，有一个光源发出光亮度为50 pW至 号。对于光波长超过1100 nm的硅光电二极管，响应度通常 250 nW(0.006勒克斯)的1 kHz光脉冲。这是非常低的光量， 小于0.7 A/W。本例中选择表1的Hamamatsu S1336。 需要非常精密的信号调理和信号处理链。目标是用16位的 光电二极管的预期电流可以从光源的预期光学功率计算得 分辨率和精度来捕捉和处理此信号。达到此分辨率意味着 出，公式为： 测量精度需要达到3.8 pW。 IMin = 0.5(A/W) × 50 pW = 25 pA IMax = 0.5(A/W) × 250 nW = 125 nA 另外，假设系统中可使用+12 V和–12 V电源。设计师在此 基础上，可以计算信噪比(SNR)并设计电路。 第2步：传感器选择 (4) 如果光源在所选光电二极管的有效面积上耗光了能量，则 只需计算公式4。若要进行16位转换，则有必要解析为最 设计过程中，经常会优化用于光伏模式或光导模式的光电 低有效位(LSB)的一半或0.95 pA。 二极管。响应度指检测器输出与检测器输入的比率，是光 Hamamatsu光电二极管的有效面积为5.7 mm2，且采用圆形 电二极管的关键参数。其单位为A/W或V/W。 阵列。传感器和光源之间也有必要使用光纤。光缆的横截 大面积铟镓砷化物(InGaAs)光电二极管用于仪表测量和感 测应用，与高速模拟和数字通信系统、仪表测量和感测场 合所用的高速光电二极管相比，大面积铟镓砷化物在600 nm 至800 nm附近具有更佳的响应性能。 无光时，向短路的光电二极管施加一个电压得到电流IS。 照射该二极管会产生与光强度成正比的反电流Ilight。总电 流Isc为： 面积可能比我们的光电二极管大。通常，这种情形的光学 功率测量单位为W/cm2。光电二极管的面积以cm2表示，结 果为57 x 10–3 cm2。对于测量单位为W/cm2的同样25 pA光源 输出电流，必需的功率为： 50 pW/57 × 10–3 cm2 = 880 pW/cm2 (5) 硅光电二极管的噪声特征决定了光检测的下限。如图1所 示的光电二极管等效电路，捕捉了三个噪声源： Page 2 of 10 MS-2394 (6) 若阻值升高，此电阻也会出现明显的热直流电压漂移，与 二极管的噪声是二极管分流电阻产生的热噪声。 放大器输入电流的温度系数所反映的情形相同。为了补偿 第3步：增益模块计算 此误差，通常在放大器同相输入端串联一个相同的电阻， 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。 并通过容性旁路消除其大部分噪声。若要实现最大信噪 光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导(图2)。 比，必须避免多级增益。 前置放大是从背景噪声中提取传感器生成的小信号的第一 随着阻值继续升高，其容差和温度额定值明显下降。例 步。将光电二极管与跨导放大器进行接口存在三种可能的 如，找到容差为0.01%的1 kΩ电阻比较简单，但要找到相同 配置。图2c所示的跨导放大器配置通过“零偏压”实现光 容差的10 MΩ电阻就很困难而且成本很高。 电二极管的精密线性检测。在此配置中，光电二极管输出 可使用串联低值电阻来形成更大的阻值，与多级增益配合 存在短路，按照公式3 (Isc = Ilight)，基本上不存在“暗”电流。 使用低值电阻，或使用“T型网络”电路来解决此问题。 I/V(跨导)转换器的输出电压和输入电流之间的理想关系 遗憾的是需要平衡这些优势，采用大反馈电阻可能会出 (增益)可以表示为： V A signal = O Signal_Gain I out 错，还可能引起不稳定的问题。这些问题稍后解决。 (7) VO = − (I out × R f ) 使用的反馈电阻值定义转换器的增益(有时称为灵敏度)。 另外，本设计示例采用了阻值非常高的电阻：Rf = 80 MΩ。 这应当能把最低和最高光电二极管电流转换为更易于测量 的输出电压，公式为： VoutMin = 25 pA × 80 MΩ = 2 mV VoutMax = 125 nA × 80 MΩ = 10 V 若电流转电压增益极高，则生成的Rf与其他限制的允许值 一样大。设计师应选择足够大的电阻，允许传感器最小输 出电流足以进行测量，且最大电流不会让放大器饱和。 Page 3 of 10 (8) MS-2394 图2. 光电二极管与跨导放大器接口 第4步：确定前置放大器级的最优放大器 的误差极小。Rphoto上与0 V的偏差会因放大器非理想状态而 光电二极管暴露在光线下且使用图2c的电路时，电流将流 引起误差电流。这些误差源是显而易见的： 到运算放大器的反相节点，如图3所示。若负载(RL)为0 Ω且 V Vcm δVS e nout = VOS + I B × R f + out + Σen + + a CMRR PSRR O 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。 (9) 这需要一个引入的误差最小的放大器。换言之，设计师选 择的放大器在其反馈电阻配置为Rf = 80 MΩ 时，输出误差 不得超过2 mV。还必须确保放大器的上升和下降时间少于 励磁激光二极管源的上升和下降时间。 公式9中未出现但可改善设计精度的几个其他放大器参数为： • 低失调电压温度漂移 • 低输入偏置电流温度漂移 • 高输入阻抗 • 低输入电容 • 低输入电流噪声密度 • 宽带宽 选择合适的放大器时还需考虑报价、封装尺寸和功耗。 图3. 短路状况下的光电二极管 若缺少光时向短路的光电二极管施加电压，会生成所谓的 如上所述，I/V转换器的输出电压和输入电流之间的关系 实际就是转换器的增益，公式为： “暗电流”。因此，放大器必须具有很大的开环增益，设 计师必须创建最佳“虚拟地”。这意味着放大器输入之间 Page 4 of 10 MS-2394 A signal = VO Signal_Gain I out 第5步：增益模块 光电二极管与图2c配置的放大器相连时，该放大器经常会 VO = − (I out × R f ) − Verror × A noise 振荡。如前文所述，放大器反馈中的大阻值电阻会造成异 (10) e A noise = nout Noise_Gain = 1 β e nin 常行为并引起振荡。设计师必须确保选用合适的放大器， 且与传感器组合使用时放大器工作稳定。 Z in β= Z in + Z f 电路的响应或带宽、峰化或过冲以及噪声或信噪比(SNR) 如这些公式所示，VO公式存在误差项，必须尽可能降低。 例如，若选用a O 很大的放大器，aοβ项升高，而1/aοβ降 低。这使得误差项更小。 等性能，会变得非常复杂，呈非线性，且主要取决于转换 器电路中有源和无源元件之间的相互影响。替代电路模型 可用于得出更贴近实际的分析(图4)。图4考虑了这种解决 方案的所有非理想状况，能够让设计师实施建模，使用极 本例中，我们选用工作电压为±12 V的精密运算放大器 点/零点分析，避免以后出现问题。 AD8627，它具有极低的噪声、低偏置电流和宽带宽。查看 AD8627的数据手册，可获得如下特性规格：IB = 1 pA，ft = 5 MHz，f = 1 kHz时en = 16 nV/√Hz，Ccom =3.8 pF，Cdiff = 4.1 pF。 IC制造商提供在线搜索和选择工具，可根据用户要求选择 部件。表2列出了适合光电传感的几个放大器。 表2. 适用于光电二极管应用的高压FET输入放大器 产品型号 AD8610/AD8620 ADA4610-2 AD8625/AD8626/AD8627 AD8641/AD8642/AD8643 VOS (µV) 100 400 750 750 IB(pA) 10 25 1 1 UG带宽(MHz) 25 9.3 5 3.5 图4. 替代电路模型可用于分析图2c所示电路 Page 5 of 10 噪声(nv/rtHz) 6 7.3 16 27 封装 MSOP MSOP SC-70 SC-70 MS-2394 大反馈电阻和输入电容之间的相互作用会把零点引入极点/ 声增益函数相交(图5)的交越频率，闭环相移将接近−180。 零点稳定性分析。如果Cphoto足够大，在开环跨导增益与噪 图5. 稳定性分析说明了大反馈电阻和输入电容之间的相互作用 Page 6 of 10 MS-2394 为保持45相位余量和稳定性，反馈中需要将一个小电容与 噪声。这点很有必要，因为跨导电路的噪声增益会随着频 Rf并联。此电容的值与放大器输入端的输入电容有关。放 率急剧上升(噪声增益 = 1 + Zf/Xc)，它影响电压噪声和电阻 大器的输入电容小，则Cf值小。电路中使用更小的Cf时， 噪声，但不会影响电流噪声。如公式12所示，计算了I/V转 放大器的更多带宽将用于现有的应用。 换器和光电二极管组合时高于0.01 Hz的总噪声： 带宽和灵敏度直接相关，要通过选择Rf来权衡使用。例如 反馈电容(Cf = 2 pF)与Rf并联时，Cphoto = 20 pF及Rf = 80 MΩ 的光电二极管将具有1 kHz的最大带宽。 另外，如果需要10 kHz带宽，则设计师可能要选择最大Rf = 8 MΩ，Cf的电容仍然可以是2 pF。此概念可用于设计可编程 的带宽来处理不同输入信号，例如1 kHz和10 kHz。 设计师必须分析带宽和噪声，确认所选的放大器正好适合 设计所用。这样也就可以理解为什么选择低输入电容和带 宽的AD8627很重要。 f x = βω × f t f t = Unity_Gain_Bandwidth = 5 MHz C rf + C r fx = C rf + C r + C photo + C com + C diff f z = 68 Hz f t = 2 × 3.5 MHz = 333 kHz 30 (11) f p = 1 kHz 可以看到，选择Cphoto值较高的大面积光电二极管，其fx会 小很多(即带宽较低)。一个可能的补救措施是选择带宽(ft) (12) 假设AD8627(IB = 1 pA，ft = 5 MHz，f = 1 kHz时en = 16 nV/√Hz， Ccom = 3.8 pF，Cdiff = 4.1 pF)与Hamamatsu光电二极管(Rphoto = 2 GΩ，Cphoto = 20 pF)一起使用。另外，Rf = 80 MΩ，Cfeedback = 非常宽的放大器。然而，这样会引起其他问题，比如更多 Crf + Cf = 2 pF。根据上述信息，输入电容为Cin = Cphoto + Ccom + 噪声。 Cdiff = 20 pF + 3.8 pF + 4.1 pF = 28 pF。 这种情形下，AD8627放大器必须具有极低的电压噪声，才 I/V电路的噪声增益主要受制于en，而in和iR的噪声增益与信 能在大面积光电二极管跨导放大器应用场合获得较低的总 号增益一致(图6)。主要噪声是fx附近的enoe和fp附近的热噪 声enoR。 Page 7 of 10 MS-2394 图6. 根据公式12，跨导电路的噪声增益主要受制于en ，而in 和iR 的噪声增益与信号增益一致 (13) Page 8 of 10 MS-2394 因为本次设计采用JFET输入放大器，所以电流噪声几乎可 为ADI公司跨导放大器示例模型提供的National Instruments 以忽略不计。 MultiSim用户界面具有Hamamatsu光电二极管的特征，可 进一步分析(图7a)。MultiSim仿真说明了噪声增益路径中 第6步：仿真 光电二极管制造商不提供产品的SPICE模型，但可以从ADI公 司网站下载放大器SPICE模型。设计师还可以从ADI网站下载 National Instruments提供的免费版SPICE仿真软件MultiSim。 该软件环境提供了光电二极管的LabVIEW®跨导模型，允 许根据设计示例中使用的具体光电二极管进行定制(图 7a)。必须先运行仿真，再构建任何板卡。由于噪声增益路 引入零点造成的不稳定(图7b)。改变反馈电阻上的电容会 影响可用的带宽(图7c)。 如上文所述，必须在反馈电阻上放置2 pF电容来引入一个极 点，从而取消此零点。2 pF反馈电容是理论值。可以分析不 同值对设计电路可用带宽的影响(图7c)。还可以通过监控 输出来校验电路带宽，其−3 dB带宽为1 kHz。 径(图7b)中引入了零点，所以可能会出现不稳定。 图7. 光电二极管电路的噪声电路分析 Page 9 of 10 MS-2394 第7步：硬件验证 需要更宽的范围，可以与反馈电阻串联一个低泄漏开关。 除了使用非常干净的电源外，超低光检测电路还需要采用 然后可根据不同的灵敏度，使用其他反馈电路。 最佳实践的规则和做法，才能减少所有噪声源的噪声，包 括环境电磁噪声和所有泄漏源噪声。低压应用可使用电 池，但需要使用RC或LC滤波器设置电源旁路。 参考文献 Walter G Jung。高阻抗传感器。运算放大器应用手册。第4-4 部分，Analog Devices，2006年。 成功与否的其他关键因素包括电路板用高绝缘电阻材料制 技术指南MT-059。补偿输入电容对电流电压转换器所用电 成。为了避免泄漏到测量电路中，必须使用护圈或特氟龙 压反馈和电流反馈型运算放大器的影响。Analog Devices， 支柱，将光电二极管引脚无线连接到运算放大器的输入端 2009年。 子。反馈电阻和电容同样如此。 S1336 数据手册。 硅光电二极管。 Hamamatsu Photonics， 屏蔽电缆和电路采用金属屏蔽盒是良好的防电磁干扰 新泽西州布里奇沃特，1991年。 (EMI)措施。在要求更高的场合，设计师可在光源和光电 二极管之间使用光纤。 ADI公司设计了25 pA至125 nA范围的示例电路。超出此范 资源 分享本文 围的任何信号均会令放大器饱和，并影响总体性能。如果 One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. TA11247sc-0-1/13 www.analog.com ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Page 10 of 10