许多常用传感器的输出阻抗超过几兆欧，因此，其相应的信号调理电路必须仔细设计，以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求。本文分析介绍光电二极管前置放大器，文中讨论了与高阻抗传感器信号调理电路有关的问题，并提供了实际 解决方案。

光电二极管前置放大器设计

光电二极管在受到光照时，会产生一个与照度成正比的小电流，因此是很好的光 电传感器，可广泛应用于精密光度计、高速光纤接收器等领域。

光电二极管的等效电路如图1所示 。光电二极管灵敏度的标准规定方法之一是对来自严格定义的光源给定的光强确定它的短路电流I_SC。最常用的光源是工作在2 850K色温下的白炽钨灯。在100fc(呎-烛光)照度(相当于阴天的光强)下，对于小面积(小于1mm²)二极管的短路电流通常是数皮安(pA)到数百微安(μA)。

短路电流在6~9个数量级的光强范围呈理想线性变化，因此常被用作绝对光强的测 量。光电二极管两端的开路电压随光强呈对数变化，但因为其温度系数很大，所以二极管电压很少用于光强的精密测量。

分路电阻R_SH在室温下通常是1000MΩ左右，且温度每增加10 ℃就减少1/2。二极 管电容C_J随结面积和二极管偏压而变化，对于结面积很小的二极管，零偏压时的 典型C_J是50pF。

光电二极管可以以两种模式工作，一是零偏置工作(光伏模式,如图2a)，一是反偏置工作(光导模式,如图2b)。在光伏模式时，光电二极管可非常精确地线性工作； 而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲线性。在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流，叫做暗电流(无照电流)。在零偏置 时则没有暗电流，这时二极管噪声基本上是分路电阻产生的热噪声。在反偏置时 ，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。在设计光电二极管过程中，通常 是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的，而不是两种模式的使用都是 最优化。

将光电二极管电流转换为可用电压的简便方法,是用一个运算放大器作为电流—— 电压转换器(如图3所示)。二极管偏置由运算放大器的虚地维持在零电压，短路电 流即被转换为电压。在最高灵敏度时，该放大器必须能检测30pA的二极管电流。 这意味着反馈电阻必须非常大，而放大器偏置电流必须极小。例如，对于30pA的 偏置电流，1000MΩ反馈电阻将产生30mV的相应电压。因为再大的电阻是不切实际 的，所以对于最高灵敏度的情况使用1000MΩ。这样对于10pA的二极管电流，放大 器将给出10mV输出电压；而对于10nA的二极管电流，输出电压为10V。这样便给出 60dB的动态范围。对于更大的光强值，必须使用较小的反馈电阻来降低电路增益 。对于这个最高灵敏度范围，我们应能很容易区分无月夜的光强(0.001fc)和满月夜的光强(0.1fc)。

注意，为了要获得最大的信噪比(SNR)，我们应当选择从一级电路而不是两级电路 的级联来获得尽可能高的增益。如果我们将反馈电阻减小为原来的一半，则信号强度则降为原来的1/2，而反馈电阻产生的噪声√4KTR·带宽仅降低√2倍。假定闭环带宽保持不变，这将使SNR减小3dB。在下面的分析中，我们将看到电阻是对总输出噪声影响最大的因素之一。

要精确测量数10pA范围的光电二极管电流，运算放大器的偏置电流不应大于数皮 安，这就大大缩小了选择的余地。工业标准的OP07是一种超低失调电压（10μV） 的双极型运算放大器，但是其偏置电流达4nA（4000pA）。尽管带偏置电流补偿的 超　双极型运算放大器（例如OP97），在室温下的偏置电流大约有100 pA，但是 因为它不象FET那样温度每升高10℃偏置电流就增加一倍，所以对于很高温度下的 应用很合适。我们选择带FET输入的“静电计级”运算放大器作为光电二极管前置 放大器，因为它必须只工作在指定的温度范围内。这类器件采用BiFET工艺制造， 使用P沟道结型场效应晶体管JFET作为输入级（参见图4）。运算放大器电路的其 余部分使用双极型运算放大器设计。为使失调电压和失调电压漂移减至最小，Bi FET运算放大器在芯片工艺中采用了激光微调技术。失调电压漂移通过下列调整过 程减至最小：首先微调输入级，使构成一对差动电路的两个JFET中的电流相等； 然后，微调JFET源电阻，将输入失调电压减至最小。选择AD795作为光电二极管前 置放大器，其主要性能如下：

·失调电压：在 25℃时，最大为250μV（K 级）

·失调电压漂移：最大为3μV/℃（K级 ）

·输入偏置电流：在 25℃时，最大为1pA （K级）

·0.1～10Hz 电压噪声：2.5μVp-p

·1/f 转折频率：12Hz

·电压噪声：在 100Hz处为10nV/ √