Photo-Diode 光電二極管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件。它和常用二極管一樣，有單向?qū)ǖ奶匦?。色彩測(cè)量、發(fā)射光譜儀、氣體探測(cè)器、渾濁度計(jì)等應(yīng)用通常都是采用光電二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)精密光學(xué)測(cè)量。

　　圖 1 光電二極管外型

　　圖 2 光電二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　圖 3 典型光電二極管傳遞函數(shù)特性圖

　　一、光電二極管的工作模式

　　光電二極管的基本原理是：通過(guò)吸收光能并照射到P-N結(jié)時(shí)將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常見(jiàn)有以下兩個(gè)工作模式：

　　光導(dǎo)模式(反向偏置)

　　光伏模式(零偏置)

圖 4 反向偏置

圖 5 零偏置光導(dǎo)模式特點(diǎn)：

　　響應(yīng)速度快

　　暗電流大

　　影響線性度

　　光伏模式特點(diǎn)：

　　暗電流小

　　影響線性度

　　二、 光電二極管常用信號(hào)鏈

圖 6 常用信號(hào)鏈原理如上圖所示，常用信號(hào)鏈總共分四級(jí)：

　　第一級(jí)信號(hào)鏈：

　　I-V轉(zhuǎn)換，一般PGA都做在第一級(jí)，因?yàn)殡娮璧臒嵩肼暫碗娏髟肼晻?huì)直接出現(xiàn)在輸出端，如果PGA做在后級(jí)，還會(huì)把前級(jí)的噪聲進(jìn)行放大，總的噪聲會(huì)變大。

　　第二級(jí)信號(hào)鏈：

　　放大，根據(jù)客戶具體信號(hào)的需求，可以省略。

　　第三級(jí)信號(hào)鏈：

　　濾波器，可以配置成低通，帶通，高通，需要根據(jù)具體需求而定，位置可以調(diào)到第二級(jí)。

　　第四級(jí)信號(hào)鏈：

　　ADC采樣，根據(jù)具體需求選擇ADC的精度和種類(lèi)。

　　三、 光電二極管同步檢測(cè)信號(hào)鏈

圖 7 同步檢測(cè)信號(hào)鏈原理同步檢測(cè)方法，在信號(hào)鏈加入了隔直和模擬開(kāi)關(guān)，從而使信號(hào)翻轉(zhuǎn)。最終輸出直流信號(hào)去AD采樣，這樣就可以降低ADC的動(dòng)態(tài)特性要求，但是整體鏈路會(huì)復(fù)雜很多。具體如何選擇還是要看客戶需求。

　　四、 I-V 轉(zhuǎn)換放大器選型

　　I-V轉(zhuǎn)換在整個(gè)信號(hào)鏈中最為重要，選型是否合適會(huì)影響整個(gè)信號(hào)鏈性能的發(fā)揮。因?yàn)楣怆姸O管輸出為電流信號(hào)，所以放大器應(yīng)該選電流特性比較好的FET型。

　　需要關(guān)注的指標(biāo)如下：

　　失調(diào)電流

　　偏置電流

　　失調(diào)電壓

　　帶寬和壓擺率

　　噪聲和溫漂

　　每個(gè)指標(biāo)的選擇要根據(jù)客戶實(shí)際應(yīng)用。

　　比如：本系統(tǒng)光電二極管輸出電流范圍在1nA~1uA，系統(tǒng)精度要達(dá)到1%，那我們電路選型指標(biāo)基本要達(dá)到千分之一水平，這樣各級(jí)誤差累計(jì)再加上其他誤差，整個(gè)系統(tǒng)精度才能比較保險(xiǎn)的達(dá)到1%水平。光電二極管最小輸出1nA，那么失調(diào)電流，偏置電流基本要能達(dá)到1nA/1000=1pA。失調(diào)電壓要根據(jù)光電二極管偏置電壓要求來(lái)選，一般都能滿足要求。帶寬和壓擺率要根據(jù)信號(hào)的帶寬來(lái)選擇。噪聲和溫漂越小越好，但是價(jià)格也會(huì)比較高。

　　五、器件選型中間級(jí)運(yùn)放和ADC

　　中間級(jí)運(yùn)放

　　信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)前級(jí)放大，已經(jīng)有了較好的信噪比，中間級(jí)的運(yùn)放要求不是很高，選型時(shí)注意供電范圍，帶寬壓擺率，輸入輸出范圍，一般問(wèn)題都不是很大，這里就不做具體型號(hào)推薦列舉說(shuō)明。

　　ADC

　　ADC的選擇有很多，一般情況下16bit的SAR型ADC就夠用。如果客戶系統(tǒng)精度要求很高，但是對(duì)信號(hào)頻率不高，可以選用高bit的∑-△型。選型應(yīng)該注意考慮采樣速度，供電范圍，輸入范圍，增益誤差，INL，DNL等。