成功实现超低光信号转换的七个步骤
在用于光检测的固态检测器中,光电二极管仍然是基本选择 (图1)。光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。其他应用 包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束 边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。
光能传输到其中一个传感器产生电流,由高精度前置放大 器进一步处理。模数转换和数字信号处理形成了整个信号 链的其余部分。选择传感器和设计模拟前端的过程可减少 为七步:
描述要测量的信号和设计目标。
选择合适的传感器并描述其电气输出。
确定可以获得的最大增益。
确定前置放大器级的最优放大器。
设计完整的传感器和前置放大器增益模块。
运行仿真。
构建硬件和进行校验。
第1步:信号和目标
根据图1的等效电路,输出电流的算式为:
若要将光转换为电信号进一步处理,需要了解光源的交直 流特征、光源信号幅度、预期的测量分辨率和系统中可用 的电源。了解信号幅度特征和噪声水平,为如何选择传感 器、增益模块中必需的增益、以及选择模数转换器(ADC)时 可能需要什么样的输入电压范围和噪声水平提供了依据。
假设在室温条件下,有一个光源发出光亮度为50 pW至 250 nW(0.006勒克斯)的1 kHz光脉冲。这是非常低的光量, 需要非常精密的信号调理和信号处理链。目标是用16位的 分辨率和精度来捕捉和处理此信号。达到此分辨率意味着 测量精度需要达到3.8 pW。
另外,假设系统中可使用+12 V和–12 V电源。设计师在此 基础上,可以计算信噪比(SNR)并设计电路。
第2步:传感器选择
设计过程中,经常会优化用于光伏模式或光导模式的光电 二极管。响应度指检测器输出与检测器输入的比率,是光 电二极管的关键参数。其单位为A/W或V/W。
大面积铟镓砷化物(InGaAs)光电二极管用于仪表测量和感 测应用,与高速模拟和数字通信系统、仪表测量和感测场 合所用的高速光电二极管相比,大面积铟镓砷化物在600 nm 至800 nm附近具有更佳的响应性能。
无光时,向短路的光电二极管施加一个电压得到电流IS。 照射该二极管会产生与光强度成正比的反电流Ilight。总电 流Isc为:
公式2中,第二项和第三项限制了Isc的线性度,但从广义上 讲可以忽略。实际上,Isc与入射光水平基本上呈线性关 系,可以近似为:
若要检测少量光,设计师必须指定大面积光电二极管,其 最低预期发射光乘以响应度得到的电流要大于光电二极管 的暗电流。这将产生高于光电二极管传感器本底噪声的信 号。对于光波长超过1100 nm的硅光电二极管,响应度通常 小于0.7 A/W。本例中选择表1的Hamamatsu S1336。
光电二极管的预期电流可以从光源的预期光学功率计算得 出,公式为:
如果光源在所选光电二极管的有效面积上耗光了能量,则 只需计算公式4。若要进行16位转换,则有必要解析为最 低有效位(LSB)的一半或0.95 pA。
Hamamatsu光电二极管的有效面积为5.7 mm2,且采用圆形 阵列。传感器和光源之间也有必要使用光纤。光缆的横截 面积可能比我们的光电二极管大。通常,这种情形的光学 功率测量单位为W/cm2。光电二极管的面积以cm2表示,结 果为57 x 10–3 cm2。对于测量单位为W/cm2的同样25 pA光源 输出电流,必需的功率为:
硅光电二极管的噪声特征决定了光检测的下限。如图1所 示的光电二极管等效电路,捕捉了三个噪声源:
二极管的噪声是二极管分流电阻产生的热噪声。
第3步:增益模块计算
前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。 光电导体的前置放大器有两类:电压模式和跨导(图2)。
前置放大是从背景噪声中提取传感器生成的小信号的第一 步。将光电二极管与跨导放大器进行接口存在三种可能的 配置。图2c所示的跨导放大器配置通过“零偏压”实现光 电二极管的精密线性检测。在此配置中,光电二极管输出 存在短路,按照公式3 (Isc = Ilight),基本上不存在“暗”电流。 I/V(跨导)转换器的输出电压和输入电流之间的理想关系 (增益)可以表示为:
I/V(跨导)转换器的输出电压和输入电流之间的理想关系 (增益)可以表示为:
使用的反馈电阻值定义转换器的增益(有时称为灵敏度)。 若电流转电压增益极高,则生成的Rf与其他限制的允许值 一样大。设计师应选择足够大的电阻,允许传感器最小输 出电流足以进行测量,且最大电流不会让放大器饱和。
若阻值升高,此电阻也会出现明显的热直流电压漂移,与 放大器输入电流的温度系数所反映的情形相同。为了补偿 此误差,通常在放大器同相输入端串联一个相同的电阻, 并通过容性旁路消除其大部分噪声。若要实现最大信噪 比,必须避免多级增益。
随着阻值继续升高,其容差和温度额定值明显下降。例 如,找到容差为0.01%的1 k电阻比较简单,但要找到相同 容差的10 M电阻就很困难而且成本很高。
可使用串联低值电阻来形成更大的阻值,与多级增益配合 使用低值电阻,或使用“T型网络”电路来解决此问题。 遗憾的是需要平衡这些优势,采用大反馈电阻可能会出 错,还可能引起不稳定的问题。这些问题稍后解决。
另外,本设计示例采用了阻值非常高的电阻:Rf = 80 M。 这应当能把最低和最高光电二极管电流转换为更易于测量 的输出电压,公式为:
第4步:确定前置放大器级的最优放大器
光电二极管暴露在光线下且使用图2c的电路时,电流将流 到运算放大器的反相节点,如图3所示。若负载(RL)为0 且VOUT = 0 V,则理论上光电二极管会出现短路。实际上,这 两种状况都绝对不会出现。RL is equal to Rf/Aopen_loop_Gain 和 VOUT而VOUT是放大器反馈配置施加的虚拟地。
若缺少光时向短路的光电二极管施加电压,会生成所谓的 “暗电流”。因此,放大器必须具有很大的开环增益,设 计师必须创建最佳“虚拟地”。这意味着放大器输入之间 的误差极小。Rphoto上与0 V的偏差会因放大器非理想状态而 引起误差电流。这些误差源是显而易见的:
这需要一个引入的误差最小的放大器。换言之,设计师选 择的放大器在其反馈电阻配置为Rf = 80 M 时,输出误差 不得超过2 mV。还必须确保放大器的上升和下降时间少于 励磁激光二极管源的上升和下降时间。
公式9中未出现但可改善设计精度的几个其他放大器参数为:
低失调电压温度漂移
低输入偏置电流温度漂移
高输入阻抗
低输入电容
低输入电流噪声密度
宽带宽
选择合适的放大器时还需考虑报价、封装尺寸和功耗。
如上所述,I/V转换器的输出电压和输入电流之间的关系 实际就是转换器的增益,公式为:
如这些公式所示,VO公式存在误差项,必须尽可能降低。 例如,若选用aO很大的放大器,aοβ term项升高,而1/aοβ 降 低。这使得误差项更小。
本例中,我们选用工作电压为±12 V的精密运算放大器AD8627,它具有极低的噪声、低偏置电流和宽带宽。查看 AD8627的数据手册,可获得如下特性规格: IB = 1 pA, ft = 5 MHz,en = 16 nV/√Hz at f = 1 kHz时 Ccom =3.8 pF,Cdiff = 4.1 pF。IC制造商提供在线搜索和选择工具,可根据用户要求选择 部件。表2列出了适合光电传感的几个放大器。
表2. 适用于光电二极管应用的高压FET输入放大器
产品型号 | VOS (µV) | IB(pA) | UG 带宽(MHz) | 噪声 (nv/rtHz) | 封装 |
AD8610/AD8620 | 100 | 10 | 25 | 6 | MSOP |
ADA4610-2 | 400 | 25 | 9.3 | 7.3 | MSOP |
AD8625/AD8626/AD8627 | 750 | 1 | 5 | 16 | SC-70 |
AD8641/AD8642/AD8643 | 750 | 1 | 3.5 | 27 | SC-70 |