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單片機開發(fā)光電二極管放大器的設(shè)計技巧
如何放大光電二極管信號
放大由光電二極管產(chǎn)生的極低幅度電流的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用該電流作為基于運算放大器的跨阻放大器（TIA）的輸入。下圖提供了連接到TIA的光電二極管的示例；光電二極管的電壓偏置為零，這意味著光電二極管以光伏模式工作。
圖1.連接至跨阻放大器的光電二極管
保持光電二極管電路的穩(wěn)定性
在上面顯示的電路中，只有電阻器（R F）提供增益。電容器（C F）的目的是通過補償光電二極管的內(nèi)部結(jié)電容來避免振蕩問題，該內(nèi)部結(jié)電容會在反饋網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生一個極點。C F通過在反饋網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建零來進行補償。
振蕩是光電二極管電路的一個非常實際的問題。的確，內(nèi)部頻率補償通常可以保護運放的穩(wěn)定性，但是即使使用內(nèi)部補償?shù)倪\放，光電二極管TIA也會振蕩。
合并直流偏移
在某些情況下，您可能希望使用光電二極管記錄由特定類型的短時光學(xué)或熱事件產(chǎn)生的波形。您可以使用交流耦合來消除環(huán)境輻射的影響，從而允許系統(tǒng)僅檢測瞬態(tài)照明，但是波形的下降沿可能會延伸到地面以下。
在單電源系統(tǒng)中，這可能會出現(xiàn)問題：如果運算放大器的負(fù)電源接地，則超過0 V的波形部分將被削波。
您可以通過在運算放大器的同相輸入端子上施加一個小的直流電壓（稱為V OFFSET）來解決此問題。在沒有輸入信號的情況下，V OFFSET將變?yōu)榉糯笃鳟a(chǎn)生的輸出電平。波形的下降沿將能夠延伸到該電壓以下，并且在瞬態(tài)事件之后，放大后的輸出最終將返回到V OFFSET。
圖2. 與圖1相同的連接到跨阻放大器的光電二極管，但具有直流偏移。
在此示例中，我使用電阻分壓器來生成合適的偏移電壓。并聯(lián)電容器有助于抑制源自電源的高頻噪聲。
您選擇的失調(diào)電壓將取決于應(yīng)用。您不希望使V OFFSET大于所需的值：如果偏移為500 mV，但您的輸入波形從未延伸到比地面高200 mV以下，則您損失了300 mV的正擺幅信號擺幅波形
請記住，由于虛擬短路，施加在同相輸入端子上的電壓也會出現(xiàn)在反相輸入端子上。這意味著正偏移電壓將導(dǎo)致光電二極管具有反向偏置。
即使您不確定要保留波形的地下部分，但在設(shè)計單電源系統(tǒng)時，也應(yīng)考慮包括一個小的（也許為100 mV）失調(diào)電壓，因為這會阻止運算放大器在負(fù)軌處飽和。
飽和并不是災(zāi)難性的，但運算放大器（與比較器不同）并未針對在電源軌上產(chǎn)生輸出電壓進行優(yōu)化。飽和的運算放大器需要一些時間才能達到飽和狀態(tài)。因此，當(dāng)響應(yīng)輸入信號時，在負(fù)電源軌上飽和的TIA將顯示一些延遲。