單電源PD放大電路有無(wú)偏置電壓會(huì)有多大的影響？

前段時(shí)間在TI的一篇關(guān)于單電源PD放大電路文檔中，看到了它必須要加偏置電壓的描述，參見(jiàn)圖1。當(dāng)時(shí)不太明白這樣做的原因，這里進(jìn)行仿真看下有無(wú)偏置電壓會(huì)有多大的影響。

圖1 TI文檔中的單電源PD放大電路中一定要有的偏置電壓

查到有資料說(shuō)，這跟運(yùn)放的恢復(fù)時(shí)間有關(guān)。任何運(yùn)放的輸出都不可能完全與電源軌重合，即使宣稱是軌對(duì)軌輸出的運(yùn)放，比如AD8065；參見(jiàn)圖2、圖3。回過(guò)頭看圖1，假如沒(méi)有偏置電壓，即同相輸入端直接接地，當(dāng)PD沒(méi)有光輸入的時(shí)候它輸出的電流IPD=0（實(shí)際上完全無(wú)光情況下PD也會(huì)有暗電流的，但很小、一般為pA級(jí)別，所以可以忽略），那么運(yùn)放此時(shí)應(yīng)該輸出0V。

在圖3中可以看到，它在單電源5V供電下，是不可能輸出0V的。那么會(huì)發(fā)生什么情況呢？答案是運(yùn)放輸出會(huì)飽和的。 一旦運(yùn)放進(jìn)入飽和區(qū)，重新回到線性區(qū)是需要一定時(shí)間的，這個(gè)時(shí)間叫作“恢復(fù)時(shí)間” 。

圖2 宣稱軌對(duì)軌輸出的運(yùn)放AD8065

圖3 單電源5V供電下AD8065的輸出范圍，并不會(huì)與電源軌道重合

這在PD測(cè)粒子的應(yīng)用中可能是不被接受的。假如PD大部分時(shí)間都在無(wú)光情況下，突然來(lái)了一個(gè)光脈沖，由于恢復(fù)時(shí)間的影響，電路表現(xiàn)得就像帶寬不夠一樣，波形會(huì)失真。

我們可以仿真看一下。仿真電路參見(jiàn)圖5，電路設(shè)置的帶寬為159Khz，根據(jù)公式可以計(jì)算出在這個(gè)帶寬下最高允許的上升時(shí)間tr。公式為0.35/f（Hz）=tr（s），代入后得到tr為2.2us。因?yàn)檫@個(gè)公式假設(shè)運(yùn)放為二階系統(tǒng)，實(shí)際上運(yùn)放并不是這樣，所以預(yù)留一些裕量，我這里設(shè)置的輸入信號(hào)tr為3.2us。電流波形參數(shù)設(shè)置參見(jiàn)圖4，仿真電路為圖5。

圖4 仿真電路設(shè)置的tr為4us（0.1~0.9），電流從0uA到10uA

圖5 單電源PD仿真電路（調(diào)整V2大小對(duì)比測(cè)試）

注意，仿真電路前一定要先看下頻域響應(yīng)以確認(rèn)電路功能是否正確，比如有的線沒(méi)有連接好，仿真軟件是不會(huì)報(bào)錯(cuò)的。我這里頻域仿真時(shí)就出問(wèn)題了，帶寬并不是我設(shè)置的159Khz，只有約25Khz。后來(lái)發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閳D5中給PD建模中用到的二極管的緣故，去掉它才可以。實(shí)際中為PD建模，用的二極管為理想二極管。 仿真發(fā)現(xiàn)有無(wú)偏置電壓、偏置電壓大小，在頻域仿真的時(shí)候就有差別了，參見(jiàn)表1 。

表1 不同偏置電壓下的直流增益和截止頻率

好啦，可以開(kāi)始仿真看結(jié)果了。我們來(lái)對(duì)比下有無(wú)偏置偏壓時(shí)輸出信號(hào)是否會(huì)存在差別，這里對(duì)比的是0V偏置電壓和0.5V偏置電壓，因?yàn)槠迷诤笳唠妷簳r(shí)，頻域響應(yīng)才是正常的。而0V是最不正常的。

表2 不同偏置電壓輸出波形對(duì)比

圖6 0V偏置電壓情況下的輸出波形

圖7 0.5V偏置電壓情況下的輸出波形，tr為3.89us

最后，單電源PD放大電路應(yīng)用，一定要加一個(gè)偏置電壓，否則高頻應(yīng)用時(shí)會(huì)表現(xiàn)為帶寬不夠，造成失真。到時(shí)提前仿真看看效果是個(gè)不錯(cuò)的注意。