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基于ADI光电二极管信号链

基于ADI光电二极管信号链

Photo-Diode 光电二极管,内部结构是由一个PN结组成的半导体器件。它和常用二极管一样,有单向导通的特性。 色彩测量、发射光谱仪、气体探测器、浑浊度计等应用通常都是采用光电二极管来实现精密光学测量。

 

图 1 光电二极管外型
图 1 光电二极管外型
图 2 光电二极管内部结构
图 2 光电二极管内部结构
图 3 典型光电二极管传递函数特性图
图 3 典型光电二极管传递函数特性图

一、光电二极管的工作模式

光电二极管的基本原理是:通过吸收光能并照射到P-N结时将其转换成电信号。常见有以下两个工作模式:

  • 光导模式(反向偏置)
  • 光伏模式(零偏置)
图 4 反向偏置
图 4 反向偏置
图 5 零偏置
图 5 零偏置

光导模式特点:

  • 响应速度快
  • 暗电流大
  • 影响线性度

光伏模式特点:

  • 暗电流小
  • 影响线性度

二、 光电二极管常用信号链

图 6 常用信号链原理
图 6 常用信号链原理

如上图所示,常用信号链总共分四级:

第一级信号链:

I-V转换,一般PGA都做在第一级,因为电阻的热噪声和电流噪声会直接出现在输出端,如果PGA做在后级,还会把前级的噪声进行放大,总的噪声会变大。

第二级信号链:

放大,根据客户具体信号的需求,可以省略。

第三级信号链:

滤波器,可以配置成低通,带通,高通,需要根据具体需求而定,位置可以调到第二级。

第四级信号链:

ADC采样,根据具体需求选择ADC的精度和种类。    

三、 光电二极管同步检测信号链

图 7 同步检测信号链原理
图 7 同步检测信号链原理

同步检测方法,在信号链加入了隔直和模拟开关,从而使信号翻转。最终输出直流信号去AD采样,这样就可以降低ADC的动态特性要求,但是整体链路会复杂很多。具体如何选择还是要看客户需求。

四、 I-V 转换放大器选型

I-V转换在整个信号链中最为重要,选型是否合适会影响整个信号链性能的发挥。因为光电二极管输出为电流信号,所以放大器应该选电流特性比较好的FET型。

需要关注的指标如下:

  •   失调电流
  •    偏置电流
  •    失调电压
  •    带宽和压摆率
  •    噪声和温漂

每个指标的选择要根据客户实际应用。

 

比如:本系统光电二极管输出电流范围在1nA~1uA,系统精度要达到1%,那我们电路选型指标基本要达到千分之一水平,这样各级误差累计再加上其他误差,整个系统精度才能比较保险的达到1%水平。光电二极管最小输出1nA,那么失调电流,偏置电流基本要能达到1nA/1000=1pA。失调电压要根据光电二极管偏置电压要求来选,一般都能满足要求。带宽和压摆率要根据信号的带宽来选择。噪声和温漂越小越好,但是价格也会比较高。

I-V转换器及模拟开关选型推荐表

产品类型型号说明
FET AMPAD86051 pA(最大值,25℃时),低失调电压:65 μV(最大值,25℃时),10 MHz宽带,5 V/us压摆率,低噪声8 nV/Hz,10fA/Hz,2.7V to 5.5V电源,轨到轨输入输出
AD861010 pA(最大值,25℃时),低失调电压:100 μV(最大值,25℃时),25 MHz宽带,50 V/us压摆率,低噪声6 nV/Hz,5 fA/Hz,±5V to ±13V电源
AD86270.1 pA(最大值,25℃时),低失调电压:500 μV(最大值,25℃时),1 MHz宽带,3 V/us压摆率,低噪声90 nV/Hz,0.5 fA/Hz,±5V to ±18V电源
AD5490.1 pA(最大值,25℃时),低失调电压:500 μV(最大值,25℃时),1 MHz宽带,3 V/us压摆率,低噪声90 nV/Hz,0.5 fA/Hz,±5V to ±18V电源
ADA43501 pA(最大值,25℃时),低失调电压:80 μV(最大值,25℃时),175 MHz宽带,100 V/us压摆率,低噪声85 nV/Hz,0.5 fA/Hz,3.3V to 12V电源,自带PGA和ADC驱动
产品类型型号说明
模拟开关ADG7044通道多路复用器,低导通电阻2.5 ohm(典型值),低漏电流10 pA(典型值),低功耗1 μA
ADG7088通道多路复用器,低导通电阻3 ohm(典型值),低漏电流10 pA(典型值),低功耗1 μA
ADG16094通道多路复用器,±8 V电源,低导通电阻4.5 ohm(典型值),低漏电流20 pA(典型值),低功耗1 μA
ADG733双通道SPDT开关,低导通电阻2.5 ohm(典型值),低漏电流10 pA(典型值),低功耗1 μA
ADG1636双通道SPDT开关,±8 V电源,低导通电阻2.5 ohm(典型值),低漏电流10 pA(典型值),低功耗1 μA

五、器件选型中间级运放和ADC

中间级运放

信号已经经过前级放大,已经有了较好的信噪比,中间级的运放要求不是很高,选型时注意供电范围,带宽压摆率,输入输出范围,一般问题都不是很大,这里就不做具体型号推荐列举说明。

ADC

ADC的选择有很多,一般情况下16bit的SAR型ADC就够用。如果客户系统精度要求很高,但是对信号频率不高,可以选用高bit的∑-△型。选型应该注意考虑采样速度,供电范围,输入范围,增益误差,INL,DNL等。

六、总结

本文阐述的应用是为了帮助电路设计人员,面对常见的光电信号链及选型参考。同时对基本的信号调理电路和原理进行了详细介绍,并且列举了完整的器件选型推荐和特点。正确的选择器件有助于增加动态范围并能够抑制噪声。假如您对此应用感兴趣,请点击下方「联系我们」,提交您的需求,我们骏龙科技公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。

参考资料

更多信息: