光电二极管浅析

作者:  ti专家 Bruce Trump
翻译:  TI信号链工程师 David Zhao (赵大伟)
看到技术论坛上出现不少关于光电二极管和相关电路的问题，针对这方面内容，我想跟更多同行做个分享。这些知识是所有模拟设计者所必须了解的。
一个典型的光电二极管模型包含以下关键元素，一个二极管并联一个电流源，并且电流源与光强成正比。寄生元件CD和 RD 会影响器件性能。


光伏模式-光电流在如图2所示的环路中流动，并且给二极管提供正向偏置。由于二极管的电压电流间成对数关系，因此空载的输出电压与光电流间近似成对数关系，并且通过RD 上的一个小电流得到修正。所以输出电压与光强之间是高度非线性的关系。某些应用将很受益于对数关系,因为在很大的范围内，光强的改变(眼睛是完美的对数型)会使电压发生类似的改变。由于二极管电压电流特性与温度相关，电压与光强之间的绝对关系很差。


在光伏模式下，二极管电容限制了频率响应。光强的快速改变会对CD进行充放电。这并不是用于快速响应的模式。

输出端可以引入缓冲，或者输出端也可以进行同相放大。为了实现低的输入偏置电流，可以使用CMOS或者JFET的运算放大器。从而在低的光强的情况下，运放不至于成为光电二极管的负载。

在光伏模式下的输出功率，当输出端引入负载时电压会有明显的下降。为了输出最高的功率，所采用的负载值由光强决定。

光敏模式-二极管电压为常量，如图3所示，通常为0V。通常会使用跨阻放大器来将光电流转换为电压。可以通过对光电二极管加反向偏置的方法来降低它的电容，但这会造成暗电流的泄露。当二极管两端没有正向电压的时候，响应与光强之间是成线性关系的。此外，二极管电容两端的电压不会随着光强的改变而改变，因此频率响应大大改善了。由于电容在负反馈的回路中形成了一个极点，因此很有必要降低电容的值。为了实现稳定性的，通常引入一个反馈电容CF。

仅仅通过加载一个大约50欧姆左右的阻值的光电二极管，你就可以从光敏模式中得到很多益处。如果二极管电压没超过20 mV，就没必要对二极管进行正向偏置，同时响应也是是合理的并且快速的。然而灵敏度会很低。
雪崩式光电二极管是特殊的模式，需要对其提供接近于击穿电压的反向偏置电压。这就使得在低光强的情况下，输出电流可以被放大。
选择光电二极管的时候会存在很多权衡，包括光电二极管的尺寸，电容，噪声，暗电流以及封装类型。一般来说，最好是选用较小的同时带有反射器或者透镜可以聚集光源的光电二极管。德州仪器没有生产单独的光电二极管，然而对于很多基本的应用，将光电二极管和跨阻放大器集成在一块芯片上的OPT101会提供一个完整的解决方案。
我知道许多工程师专职设计光电二极管电路，对于高性能的应用，还有很多需要学习的东西。我在这方面并不是一个权威，但我愿把我的所知拿来与大家分享。事实上，对于我的大部分话题，我都不是权威。这也就是我不写书，而仅仅写博客的原因。
感谢阅读。我们很乐意知道你是否为了一个不平常的目的使用了光电二极管?另外，欢迎专家给出一些评论或建议。