光電二極管電路中的漏電流和帶寬解析

在這里，我們將介紹您可能需要在光電二極管電路中的跨阻放大器中調(diào)整的兩個(gè)概念：漏電流和帶寬。

最小化漏電流

光電二極管產(chǎn)生納安和低微安范圍內(nèi)的電流。有了這樣的微小電流，我們經(jīng)常忽略的非理想情況可能會(huì)變得引人注目甚至成問題。

運(yùn)算放大器輸入偏置電流

首先，仔細(xì)查看運(yùn)算放大器的輸入偏置電流規(guī)格。理想情況下，零電流流入或流出輸入端子，并且所有光電流都流經(jīng) TIA 的反饋電阻并有助于輸出電壓。

不幸的是，現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)算放大器需要一些輸入偏置電流，而在其他應(yīng)用中看起來可以忽略不計(jì)的偏置電流可能會(huì)在光電二極管系統(tǒng)中產(chǎn)生不可接受的誤差。在非零偏置電流的情況下，一些光電流被轉(zhuǎn)移到運(yùn)算放大器的輸入級(jí)，如果光電流在低納安范圍內(nèi)，則不需要太多的電流轉(zhuǎn)移來嚴(yán)重改變放大器報(bào)告的測(cè)量結(jié)果。

圖 1. 該圖展示了光電二極管的部分光電流如何用作輸入偏置電流，因此不會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響。在這種配置中，光電二極管被正電壓反向偏置，二極管的方向?qū)е鹿怆娏髁飨蜉敵龉?jié)點(diǎn)。

通常，您需要帶有 FET 輸入級(jí)的運(yùn)算放大器。BJT 吸取過多的偏置電流。但即使是 FET 輸入級(jí)也有 IC 輸入電路中常見的保護(hù)二極管；這些二極管具有漏電流，并且隨著溫度升高，這種漏電流變得更加明顯。如果您正在為高溫應(yīng)用設(shè)計(jì)光電二極管放大器，請(qǐng)務(wù)必檢查高溫規(guī)格！

用于 TIA 應(yīng)用的運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)驚人的低輸入偏置電流。例如，我進(jìn)行了快速搜索，找到了來自 Analog Devices 的 LTC6268。在室溫下，它的漏電流只有幾毫微微安。然而，在 125°C 時(shí)，規(guī)格為 4 皮安（最大值）——增加了三個(gè)數(shù)量級(jí)！

PCB漏電

其次，我們需要記住，我們的 PCB 走線沒有被提供無限電阻的材料包圍。如果與光電二極管的連接靠近產(chǎn)生顯著電位差的走線或覆銅，則通過 PCB 的直流泄漏電流可能大到足以導(dǎo)致錯(cuò)誤。

光電二極管的輸入信號(hào)通過一條通向運(yùn)算放大器反相輸入端子的走線。反相輸入端通常處于或接近地，因?yàn)橥噍斎攵吮３衷诘鼗蛞粋€(gè)小的偏移電壓。因此，更可能導(dǎo)致漏電流問題的走線是那些電壓不接近于零的走線，例如正電源電壓或負(fù)電源電壓。為了最大限度地提高精度，請(qǐng)?jiān)谶@些走線和光電二極管輸入走線之間留出盡可能多的空間（在合理范圍內(nèi)）。

擴(kuò)展帶寬

許多光電二極管應(yīng)用不需要高頻響應(yīng)，這讓生活變得更輕松，因?yàn)榧词顾俣炔皇侵饕獑栴}，設(shè)計(jì)優(yōu)化的光電二極管電路也很困難。當(dāng)您將寬帶寬要求納入其中時(shí)，情況可能會(huì)變得非常具有挑戰(zhàn)性。

上一篇文章中介紹的電路圖顯示了反饋路徑中包含一個(gè)普通電容器 （C F ），以確保足夠的穩(wěn)定性：

圖 2. 上一篇文章中帶有跨阻放大器的示例光電二極管

然而，在高速光電二極管應(yīng)用中，反饋電容的最佳值可能非常小——在某些情況下遠(yuǎn)小于 1 pF。在高增益應(yīng)用中尤其如此，因?yàn)殡S著反饋電阻的增加，對(duì)反饋電容的需求會(huì)減少。

因此，寬帶光電二極管 TIA 可能不需要 CF，原因可能是反饋極點(diǎn)未位于會(huì)造成不穩(wěn)定的頻率上，或者因?yàn)榉答伮窂骄哂腥绱硕嗟募纳娙?，以至于不需要特意安裝的電容器。

圖 3.反饋電容已被與反饋電阻相關(guān)的寄生電容取代。

更進(jìn)一步，我們看到寄生電容實(shí)際上可能大于所需的補(bǔ)償電容。在這種情況下，寄生電容不必要地限制了 TIA 的帶寬，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是減少反饋電容以增加帶寬。

在具有短走線的緊湊布局中，我們無法減少反饋路徑中銅連接的電容。然而，我們可以減少與反饋電阻相關(guān)的寄生電容。

首先，我們可以嘗試修改電阻器的 PCB 封裝。理論上，可以通過減小電阻器端蓋的平行板面積和增加端蓋之間的距離來減小電容。
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