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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準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，在負電源軌上飽和的TIA將顯示一些延遲。