【導讀】Photo-Diode 光電二極管，內部結構是由一個PN結組成的半導體器件。它和常用二極管一樣，有單向導通的特性。色彩測量、發射光譜儀、氣體探測器、渾濁度計等應用通常都是采用光電二極管來實現精密光學測量。
圖 1 光電二極管外型
圖 2 光電二極管內部結構
圖 3 典型光電二極管傳遞函數特性圖
一、光電二極管的工作模式
光電二極管的基本原理是：通過吸收光能并照射到P-N結時將其轉換成電信號。常見有以下兩個工作模式：
● 光導模式（反向偏置）
● 光伏模式（零偏置）
圖 4 反向偏置
圖 5 零偏置
光導模式特點：
● 響應速度快
● 暗電流大
● 影響線性度
光伏模式特點：
● 暗電流小
● 影響線性度
二、 光電二極管常用信號鏈
圖 6 常用信號鏈原理
如上圖所示，常用信號鏈總共分四級：
第一級信號鏈：
I-V轉換，一般PGA都做在第一級，因為電阻的熱噪聲和電流噪聲會直接出現在輸出端，如果PGA做在后級，還會把前級的噪聲進行放大，總的噪聲會變大。
第二級信號鏈：
放大，根據客戶具體信號的需求，可以省略。
第三級信號鏈：
濾波器，可以配置成低通，帶通，高通，需要根據具體需求而定，位置可以調到第二級。
第四級信號鏈：
ADC采樣，根據具體需求選擇ADC的精度和種類。
三、 光電二極管同步檢測信號鏈
圖 7 同步檢測信號鏈原理
同步檢測方法，在信號鏈加入了隔直和模擬開關，從而使信號翻轉。最終輸出直流信號去AD采樣，這樣就可以降低ADC的動態特性要求，但是整體鏈路會復雜很多。具體如何選擇還是要看客戶需求。
四、 I-V 轉換放大器選型
I-V轉換在整個信號鏈中最為重要，選型是否合適會影響整個信號鏈性能的發揮。因為光電二極管輸出為電流信號，所以放大器應該選電流特性比較好的FET型。
需要關注的指標如下：
● 失調電流
● 偏置電流
● 失調電壓
● 帶寬和壓擺率
● 噪聲和溫漂
每個指標的選擇要根據客戶實際應用。
比如：本系統光電二極管輸出電流范圍在1nA~1uA，系統精度要達到1%，那我們電路選型指標基本要達到千分之一水平，這樣各級誤差累計再加上其他誤差，整個系統精度才能比較保險的達到1%水平。光電二極管最小輸出1nA，那么失調電流，偏置電流基本要能達到1nA/1000=1pA。失調電壓要根據光電二極管偏置電壓要求來選，一般都能滿足要求。帶寬和壓擺率要根據信號的帶寬來選擇。噪聲和溫漂越小越好，但是價格也會比較高。
五、器件選型中間級運放和ADC
中間級運放
信號已經經過前級放大，已經有了較好的信噪比，中間級的運放要求不是很高，選型時注意供電范圍，帶寬壓擺率，輸入輸出范圍，一般問題都不是很大，這里就不做具體型號推薦列舉說明。
ADC
ADC的選擇有很多，一般情況下16bit的SAR型ADC就夠用。如果客戶系統精度要求很高，但是對信號頻率不高，可以選用高bit的∑-△型。選型應該注意考慮采樣速度，供電范圍，輸入范圍，增益誤差，INL，DNL等。
來源：8號線攻城獅
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