Photo-Diode 光電二極管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一個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?。色彩測量、發(fā)射光譜儀、氣體探測器、渾濁度計等應(yīng)用通常都是采用光電二極管來實現(xiàn)精密光學(xué)測量。

　　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：通過吸收光能并照射到P-N結(jié)時將其轉(zhuǎn)換成電信號。常見有以下兩個工作模式：

　　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：

　　響應(yīng)速度快

　　暗電流大

　　影響線性度

　　光伏模式特點：

　　暗電流小

　　影響線性度

　　二、 光電二極管常用信號鏈

圖 6 常用信號鏈原理如上圖所示，常用信號鏈總共分四級：

　　第一級信號鏈：

　　I-V轉(zhuǎn)換，一般PGA都做在第一級，因為電阻的熱噪聲和電流噪聲會直接出現(xiàn)在輸出端，如果PGA做在后級，還會把前級的噪聲進行放大，總的噪聲會變大。

　　第二級信號鏈：

　　放大，根據(jù)客戶具體信號的需求，可以省略。

　　第三級信號鏈：

　　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。

　　第四級信號鏈：

　　ADC采樣，根據(jù)具體需求選擇ADC的精度和種類。

　　三、 光電二極管同步檢測信號鏈

圖 7 同步檢測信號鏈原理同步檢測方法，在信號鏈加入了隔直和模擬開關(guān)，從而使信號翻轉(zhuǎn)。最終輸出直流信號去AD采樣，這樣就可以降低ADC的動態(tài)特性要求，但是整體鏈路會復(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)換在整個信號鏈中最為重要，選型是否合適會影響整個信號鏈性能的發(fā)揮。因為光電二極管輸出為電流信號，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

　　每個指標的選擇要根據(jù)客戶實際應(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)精度要達到1%，那我們電路選型指標基本要達到千分之一水平，這樣各級誤差累計再加上其他誤差，整個系統(tǒng)精度才能比較保險的達到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選，一般都能滿足要求。帶寬和壓擺率要根據(jù)信號的帶寬來選擇。噪聲和溫漂越小越好，但是價格也會比較高。

　　五、器件選型中間級運放和ADC

　　中間級運放

　　信號已經(jīng)經(jīng)過前級放大，已經(jīng)有了較好的信噪比，中間級的運放要求不是很高，選型時注意供電范圍，帶寬壓擺率，輸入輸出范圍，一般問題都不是很大，這里就不做具體型號推薦列舉說明。

　　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，但是對信號頻率不高，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。