本文聚焦于一款高速光電二極管信號(hào)調(diào)理電路，其具備暗電流補(bǔ)償功能，旨在高效轉(zhuǎn)換高速硅 PIN 光電二極管產(chǎn)生的電流，并驅(qū)動(dòng) 20MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入。該電路組合在 400nm 至 1050nm 頻譜范圍內(nèi)，展現(xiàn)出 49nA 的光電流靈敏度、91dB 的動(dòng)態(tài)范圍以及 2MHz 的帶寬，采用 ±5V 電源供電，功耗僅 40mA，適用于便攜式高速、高分辨率光強(qiáng)度應(yīng)用，如脈搏血氧儀（如圖 1 所示為該電路原理示意，未顯示所有連接和去耦）。

一、應(yīng)用拓展

此電路憑借卓越性能，除主要用于高精度光強(qiáng)度檢測外，還可靈活運(yùn)用于模擬光隔離器領(lǐng)域。同時(shí)，對(duì)于那些對(duì)帶寬要求更高而分辨率需求相對(duì)較低的應(yīng)用場景，例如自適應(yīng)速度控制系統(tǒng)，該電路同樣能夠勝任，展現(xiàn)出其廣泛的適用性。

二、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為滿足特定帶寬應(yīng)用需求，本電路筆記深入探討圖 1 所示電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，涵蓋穩(wěn)定性計(jì)算、噪聲分析以及器件選型考量等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，力求在復(fù)雜的應(yīng)用背景下，實(shí)現(xiàn)電路性能的精準(zhǔn)調(diào)配。

三、光電二極管工作特性

光電二極管作為一種高阻抗傳感器，主要用于光強(qiáng)度檢測，雖無內(nèi)部增益，但在高光級(jí)應(yīng)用中優(yōu)勢顯著。其工作模式可分為零偏置（光伏）模式與反向偏置（光導(dǎo)）模式。光伏模式下可實(shí)現(xiàn)最為精確的線性運(yùn)算；而光導(dǎo)模式則側(cè)重于提升開關(guān)速度，不過會(huì)相應(yīng)犧牲部分線性度。特別值得注意的是，在反向偏置狀態(tài)下，即使無光照，也會(huì)出現(xiàn)少量暗電流。針對(duì)這一問題，可通過在運(yùn)算放大器同相輸入端引入第二個(gè)相同型號(hào)的光電二極管，有效抵消暗電流誤差，具體連接方式如圖 1 所示。

四、光電二極管響應(yīng)時(shí)間影響因素

光電二極管的響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)關(guān)鍵因素影響：

耗盡區(qū)域內(nèi)載流子的充電收集時(shí)間；

未耗盡區(qū)域內(nèi)載流子的充電收集時(shí)間；

二極管電路組合的 RC 時(shí)間常數(shù)。

鑒于結(jié)電容與光電二極管的擴(kuò)散區(qū)及施加的反向偏置緊密相關(guān)，選用擴(kuò)散區(qū)較小的光電二極管并配合較大反向偏置，能夠有效縮短上升時(shí)間。在 CN-0272 電路筆記中，采用的 SFH2701PIN 光電二極管結(jié)電容典型值在 0V 偏置時(shí)為 5pF，而在 1V 反向偏置時(shí)降至 2pF，5V 反向偏置時(shí)進(jìn)一步降低至 1.7pF。本電路的所有測量均在 5V 反向偏置條件下完成。
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