嗨,欢迎来到兆亿微波官方商城!
服务热线: 010-82788689  010-62975458
购物车图片 购物车 ( )
全部商品分类

精密光电二极管传感器电路优化设计

2021/3/4 13:38:13
浏览次数: 3

光电二极管是很多光学测量中最常用的传感器类型之一。诸如吸收和发射光谱、色彩测量、浑浊度、气体探测等应用均有赖于光电二极管实现精密光学测量。


光电二极管产生与照射到活动区的光量成比例的电流。大多数测量应用都需要用到跨阻放大器,以便将光电二极管电流转换为输出电压。图1显示电路的原理示意图。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图1. 简单跨阻放大器电路


该电路的光电二极管在光伏模式下工作,其中运算放大器保持光电二极管上的电压为0 V。这是精密应用中最常见的配置。光电二极管的电压与电流关系曲线十分类似于常规二极管,但前者的整条曲线会随着光照水平的变化而向上或向下平移。图2a显示典型的光电二极管传递函数。图2b是传递函数放大后的图形,表明哪怕在没有光的情况下,光电二极管也会输出少量电流。这种暗电流会随着光电二极管上的反向电压增加而上升。大部分制造商在反向电压为10 mV的前提下给出光电二极管的暗电流。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图2. 典型光电二极管传递函数


光照射到光电二极管的活动区后,电流从阴极流向阳极。理想情况下,所有的光电二极管电流都流经图1中的反馈电阻,产生数值等于光电二极管电流乘以反馈电阻的反馈电压。该电路在原理上很简单,但若要系统具备最佳性能则必须解决一些难题。


直流考虑因素


第一个难题是选择直流规格匹配应用要求的运算放大器。对大部分应用来说,低输入失调电压是最重要的规格。放大器输出端存在输入失调电压,该失调电压会增加系统总误差;而在光电二极管放大器中,它还会产生其他误差。光电二极管上存在输入失调电压,产生更多暗电流,进一步增加系统失调误差。通过软件校准、交流耦合——或者两者兼用——消除初始直流失调,但较大的失调误差会缩小系统动态范围。幸运的是,输入失调电压在几百mV甚至几十mV的范围内,有大量的运算放大器可供选择。


第二重要的直流规格是运算放大器的输入漏电流。电流进入运算放大器输入端,或者进入反馈电阻以外的任何地方,都会产生测量误差。具有零输入偏置电流的运算放大器是不存在的,但某些CMOS或JFET输入运算放大器非常接近这个数值。例如,在室温下,AD8615的最大输入偏置电流为1 pA。AD549最大输入偏置电流为60 fA,该数值得到保证并经过生产测试。FET输入放大器的输入偏置电流随温度升高而呈指数上升。很多运算放大器提供85°C或125°C下的规格;但如果未提供,则一种较好的近似是温度每升高十度,电流就翻倍。


另一个难题是设计电路并进行布局,从而最大程度降低外部漏电流路径——漏电流会影响低输入偏置电流运算放大器性能。最常用的外部漏电流路径是印刷电路板本身。例如,图3显示图1中光电二极管放大器的一种可行布局。粉红色的走线表示+5 V供电轨,为放大器供电并将电能输送至电路板的其余部分。如果在+5 V走线以及搭载光电二极管电流的走线之间电阻等于5 G(图3中以RL表示),那么1 nA电流将从+5 V走线流入放大器。显然,这与应用中仔细选择1 pA运算放大器的目标相违背。最大程度缩短外部漏电流路径的一种方法是增加搭载光电二极管电流的走线与任何其他走线之间的电阻。这可能如同在走线周围加入一个较大的路由禁区以便增加与其他走线之间距离那样方便。在某些极端应用中,有的工程师会一并取消PCB走线,将光电二极管引线暴露在空气中并与运算放大器输入端引脚直接相连。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图3. 带漏电流路径的光电二极管布局


防止外部漏电流的另一种方法是在搭载光电二极管电流的走线旁布局一个保护走线,并确保两条走线均驱动至相同的电压。图4显示搭载光电二极管电流的网络周围的保护走线。+5 V走线产生的漏电流随后通过RL流入保护走线,而非流入放大器。在该电路中,保护走线和输入走线之间的压差仅与运算放大器的输入失调电压有关——这就是为什么要选用低输入失调电压放大器的又一个原因。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图4. 使用保护走线降低外部漏电流


交流考虑因素


虽然大部分精密光电二极管应用的工作速率较低,但我们依然需要保证针对该应用,系统具有足够的交流性能。这里,两个最大的问题是信号带宽(或闭环带宽)和噪声带宽。


闭环带宽取决于放大器的开环带宽、增益电阻和总输入电容。光电二极管输入电容范围可从数pF(高速光电二极管)到几千pF(面积极大的精密光电二极管)。然而,在运算放大器的输入端加入电容会使它变得不稳定,除非在反馈电阻上添加电容进行补偿。反馈电容限制系统的闭环带宽。可以使用等式1计算导致45°相位裕量的最大可能闭环带宽。


精密光电二极管传感器电路优化设计


其中:


fU 是放大器的单位增益频率。


RF 是反馈电阻。


CIN 是输入电容,包括二极管电容和电路板上的其他所有寄生电容等。


CM 是运算放大器的共模电容。


CD 是运算放大器的差分电容。


例如,假设应用中的光电二极管电容为15 pF且跨阻增益为1 M,则等式1预计您将需要单位增益带宽约为95 MHz的放大器,才能获得1 MHz信号带宽。这是相位裕量为45°时的情况,此时在信号阶跃发生变化时会产生峰化。您可能希望通过设计60°或更高的相位裕量来降低峰化,这便要求使用速度更快的放大器。因此,诸如ADA4817-1等具有20 pA最大输入偏置电流和400 MHz左右单位增益频率的器件适用于高增益光电二极管应用,甚至对中等带宽的应用也同样适用。


在多数系统中,光电二极管电容占总输入电容的绝大部分,但某些应用在选择极低输入电容的运算放大器时需分外仔细。为了解决这个问题,某些运算放大器提供特殊的引脚排列,以降低输入电容。例如,图5显示ADA4817-1s引脚排列,可将运算放大器输出路由至反相输入的相邻引脚。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图5. ADA4817-1引脚排列针对低寄生电容优化


采用光电二极管进行设计时,系统噪声通常是又一个难题。输出噪声主要由放大器输入电压噪声和反馈电阻约翰逊噪声导致。来自反馈电阻的噪声出现在输出端,且无额外的放大效应。如果增加电阻值以便放大光电二极管电流,则增益电阻导致的噪声将仅增加电阻值增加量的平方根。实际上,这意味着光电二极管放大器增益越大越有好处,因为若采用第二个放大器级,则噪声会随着增益的增加而线性增加。


放大器输出噪声等于输入电压噪声乘以放大器噪声增益。噪声增益不仅由反馈电阻确定,同时还由反馈和输入电容确定,因此它在整个频率范围内是变化的。图6显示放大器噪声增益与频率关系的典型曲线,并叠加了闭环增益供参考。可从该曲线中了解到两件事:输出噪声在某些频率下会增加,以及频率范围——在该范围内噪声峰值高于放大器闭环截止频率。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图6. 光电二极管放大器的噪声增益会在较高的频率下增加


由于无法利用该带宽,因此可以采用设置为放大器信号带宽的低通滤波器来降低该噪声。


采用可编程增益扩展动态范围


由于反馈电阻的约翰逊噪声随电阻的平方根值而增加,因此相比于使用第二个放大器级,光电二极管放大器中的增益越高越好。如图7所示,通过向光电二极管放大器中加入可编程增益,便可使该想法更进一步。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图7. 可编程增益光电二极管放大器概念


开关S1选择所需的反馈路径,因此您可以为不同信号选择最优增益。不幸的是,模拟开关的导通电阻会使电路产生增益误差。该导通电阻将随施加的电压、温度等的变化而发生改变,因此您必须找到将其从电路消除的方法。图8显示如何使用两组开关移除反馈环路中导通电阻产生的误差。该电路在反馈环路内部有一个开关,如图7所示;但开关S2将电路输出直接与增益电阻相连,而不管放大器输出电压。它可以消除由于电流流过开关S1而产生的任何增益误差。使用该电路的代价之一是输出不再具有与放大器输出有关的低阻抗,因为它包括多路复用器S2的导通电阻。如果下一级具有高阻抗输入(比如采用ADC驱动器),那么这通常没什么问题。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图8. 使用两组开关降低环路内额外电阻产生的误差


使用调制和同步检测降低噪声


很多精密应用都需测量通过样本吸收或反射的直流光照水平。


虽然某些应用允许对全部环境光进行屏蔽,很多其他系统(主要在工业环境中)不得不暴露在环境光下。此时,可以调制光源并使用同步检测,使您的信号远离低频频谱;而电气干扰和光学干扰在低频频谱中最为严重。最简单的调制方式是快速开关光源。取决于具体光源,可对其进行电子调制,或者像某些较老的仪器仪表那样使用机械斩波器在给定速率下阻挡光线。


例如,如果您对测量某种物质的光吸收并确定其浓度感兴趣,那么您可以对光源进行数kHz斩波。图9显示进行斩波后,测量结果不受大多数环境中普遍存在的低频光污染影响;这类环境的例子有:一天内不同时刻的环境光变化、50 Hz/60 Hz荧光灯等。


精密光电二极管传感器电路优化设计


图9. 对输入信号进行斩波可将信息移入斩波频率内,远离环境噪声


由于调制信号频率是可控的,因此可以利用相同的时钟同步解调接收到的光。图10中的电路是一个非常简单的同步解调器。光电二极管放大器输出端的电压交流耦合,然后以可编程增益+1和–1经放大器传输。增益开关经同步处理,可在预期开灯的确切时刻将增益设为+1,并在预期关灯的时刻设为–1。理想情况下,输出将是直流电压,并与光脉冲的幅度有关。低通滤波器抑制一切与调制时钟不同步的信号。低通滤波器的截止频率等于调制频率周围的带通滤波器宽度。例如,假设调制频率为5 kHz,并且采用带宽为10 Hz的低通滤波器,则电路输出可将信号从4.99 kHz传输至5.01 kHz。降低低通滤波器带宽可获得更好的抑制效果,但代价是建立时间更长。


精密光电二极管传感器电路优化设计

图10. 同步检测电路One


图9还显示了使用斩波需注意的另一点。斩波产生的波形并不是频域内单一的线条(要求使用正弦波),而是斩波频率下的线条和其奇次谐波。斩波频率奇次谐波处的任何噪声都将以最小程度的衰减出现在输出端。通过使用正弦波调制可将其完全消除,但需要用到更为复杂或成本更高的电路。另一种解决方案是选择一个罕见的基波频率,其谐波不符合任何已知的干扰源。您还可在固件内实现图10中的相同功能。您可以根据调制时钟同步采样斩波光信号,并使用数字信号处理技术提取目标频率的幅度信息。


推荐阅读
  • 点击次数: 0
    2021-05-12
    如今的电子科技时代,我们已离不开生活中的智能产品,尤其是手机,在这个移动支付的快节奏城市,也许你可以试试一天没有手机的生活,恐怕会有诸多不便。而手机却依赖它,一颗比米粒还要小的晶振,决定了整块电路板的'生死'。如果它不运作,整个系统就会瘫痪,在行业中被人们堪比为电路板的心脏!作为各显板的“心跳”发生器,晶振如果停振,带来的危害可是非常大的。那么,晶振为何会停振?在实际应用中,应该注意什么?接下来就让兆亿微波商城告诉你!几点晶振停振的注意事项:a. 由于晶振在剪脚和焊锡的时候容易产生机械应力和热应力,而焊锡温度过高和作用时间太长都会影响到晶体,容易导致晶体处于临界状态,以至出现时振时不振现象,甚至停振。b. 在焊锡时,当锡丝透过线路板上小孔渗过,导致引脚跟外壳连接在一块,或是晶体在制造过程中,基座上引脚的锡点和外壳相连接发生单漏,都会造成短路,从而引起停振。c. 当晶体频率发生频率漂移,且超出晶体频率偏差范围过多时,以至于捕捉不到晶体的中心频率,从而导致芯片不起振。d. 由于芯片本身的厚度很薄,当激励功率过大时,会使内部石英芯片破损,导致停振。e. 在检漏工序中,就是在酒精加压的环境下,晶体容易产生碰壳现象,即振动时芯片跟外壳容易相碰,从而晶体容易发生时振时不振或停振。f. 在压封时,晶体内部要求抽真空充氮气,如果发生压封不良,即晶体的密封性不好时,在酒精加压的条件下,其表现为漏气,称之为双漏,也会导致停振。看完兆亿微波商城对于晶振停振的注意事项的说明,相信大家对晶振停振有了更好的认识!
  • 点击次数: 0
    2021-05-11
    光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区,光在调制区内与外界被测参数相互作用,使的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等发生变化而成为被调制的信号光,再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感器按传感原理可分为两类:一类是传光型(非功能型)传感器,另一类是传感型(功能型)传感器。在传光型光纤传感器中,光纤仅作为光的传输媒质,对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的,这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的,两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用,将信号的“感”和“传”合而为一,因此这类传感器中光纤是连续的。由于这两种传感器中光纤所起的作用不同,对光纤的要求也不同。在传光型传感器中光纤只起传光作用,采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求,而敏感元件可以很灵活地选用优质的材料来实现,因此这类传感器的灵敏度可以做得很高,但需要较多的光耦合器件,结构较复杂。传感型光纤传感器的结构相对来说比较简单,可少用一些耦合器件,但对光纤的要求较高,往往需采用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。目前为止,实际中大多数采用前者,但随着光纤制造工艺的改进,传感型光纤传感器也必将得到广泛的应用。按光在光纤中被调制的原理不同,光纤传感器可分为:强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止,光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。与传统的传感器相比,光纤传感器具有独特的优点有什么呢?兆亿微波商城告诉你:(1)灵敏度高由于光是一种波长极短的电磁波,通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例,由于所使用的光纤直径很小,受到微小的机械 外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化,从而引起较大的相位变...
  • 点击次数: 1
    2021-05-11
    滤波器是一种消除其他波干扰的元器件,它让一种特定的信号通过,同时阻止其他信号通过。那么滤波器的原理是什么?下面提供三种常见的滤波器原理分析。滤波器主要有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器三种。利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过;对于需要放行的低频,利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。高通滤波器按照所采用的器件不同进行分类的话,会有源高通滤波器、无源高通滤波器两类。无源高通滤波器:仅由无源元件组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。有源高通滤波器:由无源元件和有源器件组成。它主要是利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽,但在高压、高频、大功率的场合不适用。带通滤波器是一种仅允许特定频率通过,同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性,故而被广泛地应用现在电子设计中。带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带阻滤波器的概念相对。以上便是三种常见的滤波器原理的全部解答。其实滤波器的电路设计有很多种,并不只有上面提到的图示,建议根据自己需要去检索。
  • 点击次数: 0
    2021-05-10
    光纤连接器是一种可拆卸链接的器件,它能够将两条光纤连接起来。它能够使接收光纤成功接收到发射光纤输出的光能量。因为应用较为广泛,为了更好的保证光传输系统的可靠性和及时性,光纤连接其存在多种结构形式。光纤连接器的分类:光纤连接器以硅基和塑胶为两种常见的传播媒介,常见的接头形式有:FC、SC、ST、LC、MC、D4、DIN等多种形式。日本的光纤连接器技术较为先进,其中FC型光纤连接器、SC型光纤连接器都由日本发明,FC型光线连接器结构简单、成本较低、便于操作,采用金属套设计,使其耐用度得到较大幅度的提高。SC型光纤连接起城矩形结构,它的结构方式和FC型光纤连接器的结构方式完全不同。采用插拔销门闩式的紧固方式,抗压强度和安装密度更高。LC型连接器由贝尔研究所研发,它的体积仅是SC型连接器及FC型连接器的一半,但光纤连接器的密度得到了大幅提升。在实际应用中得到了广泛的应用。光纤连接器在我国发展前景怎么样?随着通信技术的发展,光纤连接器在国内的应用越来越广。想要在光纤连接器方面取得领先水平,我国必须解决在发展中遇到的生产标准不统一、机器不兼容等问题。这就需要国家出台相关规定,出台系统的生产标准,并指导相关厂家以统一元素为基础,研制符合国情的相关产品。MC型连接器由我国自主研发,是目前为止全世界体积最小、密度最高的一款新型连接器。各类连接器兆亿微波商城均有在售,快来选购!
  • 点击次数: 2
    2021-05-10
    TDK针对ESD保护应用推出超小型的高功率TVS(瞬态抑制)二极管,进一步扩展了I/O接口的双向过压保护元件的产品组合。新元件采用芯片级封装,尺寸仅为400 x 200µm²(CSP01005) 或 600 x 300µm²(CSP0201), 封装高度极低,仅为100µm。新型TVS二极管的设计工作电压为5V,响应电压为6.8 V。在不同的峰值脉冲电流条件下,两款新元件的端接电压也不相同:当峰值脉冲电流为8 A时,钳位电压为7.2 V;当峰值脉冲电流为16 A时,端接电压为8 V。不同类型的新元件可提供不同的寄生电容,其中SD0201SL-GP101型的寄生电容为12 pF,而SD01005SL-GP101型的寄生电容为5 pF。此外,新元件还具有其他特点和优势,比如响应时间短,漏电流低(仅2 nA@3.3 V)。新型保护元件的设计满足IEC 61000-4-2标准,其ESD接触放电电压可达24 kV,大幅领先于标准要求。尽管它们尺寸小巧,但具有高达8 A的大浪涌电流负载能力,满足IEC 61000-4-5 (8/20µs) 标准要求。主要应用各种物联网 (IoT)、智能家居或工业4.0设备智能手机、笔记本电脑、平板电脑、智能手表和助听器等主要特点与优势I/O接口的双向保护ESD 保护性能满足 IEC 61000-4-2 标准要求接触放电电压最高可达 24 kV浪涌电流负载能力高达 8 A,满足IEC 61000-4-5 (8/20 µs) 标准要求钳位电压:8 V400 x 200 µm2 或 600 x 300 µm2的芯片级封装,占用空间极小·超低封装高度:仅100 µm新型保护元件兆亿微波商城均有在售,快来选购!
  • 品质 • 正品行货 购物无忧
  • 低价 • 普惠实价 帮您省钱
  • 速达 • 专业配送 按时按需
Copyright ©2020 - 2021 兆亿微波科技有限公司
X
3

SKYPE 设置

4

阿里旺旺设置

5

电话号码管理

  • 010-62975458
6

二维码管理

返回顶部
展开