CN0272 具有暗電流補(bǔ)償功能的2 MHz帶寬PIN光電二極管前置放大器

CN0272 選用的器件針對噪聲和成本優(yōu)化；但也能用其它組合替換。 其它適用的雙電源放大器包括ADA4817-1 和??? ADA4637-1。若需采用單電源工作，則建議使用 AD8605 或AD8615 這 些放大器的輸入偏置電流都不超過2 pA，輸入失調(diào)電壓不 超過400μV，并且單位增益帶寬積超過10 MHz。 對于需要100 MHz及以上帶寬的應(yīng)用(如自適應(yīng)速度控制)，建 議采用下列器件組合：ADA4817-1 FastFET放大器、 ADA4932-1低功耗差分ADC驅(qū)動(dòng)器和 AD9634-210 12位、210 MSPS ADC。 ADA4817-1 具有400 MHz的高增益帶寬積和1.4 pF的極低輸 入電容。這些特性使得這款放大器成為寬帶跨導(dǎo)應(yīng)用的理 想選擇。 ADA4932-1 驅(qū)動(dòng)器能以最高360 MHz的頻率保持2 V p-p輸 出，這對于 AD9634-210ADC而言足夠了。 本電路使用 EVAL-CN0272-SDPZ電路板和 EVAL-SDP-CB1Z SDP-B系統(tǒng)演示平臺(tái)轉(zhuǎn)接板。這兩片板具有120引腳的對接 連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。 EVAL-CN0272-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。 SDP-B轉(zhuǎn)接板與 CN0272評估軟件一起使用，可從 EVAL-CN0272-SDPZ 電路板獲取數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： 帶USB端口的Windows? XP(32位)、Windows Vista?或 Windows? 7 PC EVAL-CN0272-SDPZ 電路板 EVAL-SDP-CB1ZSDP-B轉(zhuǎn)接板 CN0272 SDP評估軟件 EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流電源或同等6 V/1 A臺(tái)式電源 400 nm至1050 nm光源 開始使用 將CN0272評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評估 軟件。打開我的電腦 ，找到包含評估軟件的驅(qū)動(dòng)器。 功能框圖 電路框圖見圖1，完整的電路原理圖見EVAL-CN0272- SDPZ-PADSSchematic-RevC.pdf 文件。此文件位于CN0272設(shè)計(jì)支持包中。 ? 圖8. 測試設(shè)置框圖 ? 設(shè)置 EVAL-CN0272-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到 EVAL-SDP-CB1Z轉(zhuǎn)接板(SDP-B)上的CON A連接器。使用尼 龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩 片板。在斷電情況下，將一個(gè)6 V電源連接到電路板上的+6 V 和GND引腳。如果有6 V壁式電源適配器，可將其連接到板 上的管式連接器，代替6 V電源。SDP-B板附帶的USB電纜連 接到PC上的USB端口。此時(shí)請勿將該USB電纜連接到 SDP-B板上的微型USB連接器。 測試 為連接到 EVAL-CN0272-SDPZ電路板的6 V電源(或“壁式電源 適配器”)通電。啟動(dòng)評估軟件，并通過USB電纜將PC連接 到SDP-B板上的微型USB連接器。 一旦建立USB通信，就可以使用SDP-B板來發(fā)送、接收、 捕捉來自 EVAL-CN0272-SDPZ板的并行數(shù)據(jù)。 圖9顯示 EVAL-CN0272-SDPZ 評估板連接SDP板的照片。有 關(guān)SDP-B板的信息，請參閱 EVAL-CN0272-SDPZ SDP-B用戶指南。 注意，光電二極管D2用于暗電流補(bǔ)償，其覆有光學(xué)不透明 環(huán)氧樹脂(EPO-TEK 320)材料，當(dāng)D1受到激勵(lì)時(shí)，可防止D2 產(chǎn)生輸出電流。 有關(guān)測試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的 詳細(xì)信息，請參閱 CN-0272軟件用戶指南。 ? 圖9. 連接到EVAL-SDP-CB1ZSDP-B板的EVAL-CN0272-SDPZ評估板 ? 針對原型開發(fā)的連接 EVAL-CN0272-SDPZ 評估板設(shè)計(jì)用于 EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板，但任何微處理器都可與AD9629-20的并行外設(shè)接口(PPI)實(shí)現(xiàn)對接。為使另一個(gè)控制器能與 EVAL-CN0272-SDPZ 評估板一同使用，第三方必須開發(fā)相應(yīng)的軟件。 目前已有一些轉(zhuǎn)接板能實(shí)現(xiàn)與 Altera 或 Xilinx 現(xiàn)場可編程門 陣列 (FPGAs) 的接口。利用 Nios 驅(qū)動(dòng)器， Altera 的 BeMicro SDK 板能配合 BeMicro SDK/SDP 轉(zhuǎn)接板一同使用。任何集成 FMC 連接器的 Xilinx 評估板均可與 FMC-SDP 轉(zhuǎn)接板一同使 用。 器件選擇 光電二極管屬于高阻抗傳感器，用于檢測光的強(qiáng)度。它沒有內(nèi)部增益，但相比其它光檢測器，可在更高的光級度下工作。 光電二極管工作時(shí)采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光 導(dǎo))模式。光伏模式可獲得最精確的線性運(yùn)算，而讓二極管 工作在光導(dǎo)模式可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度，但代價(jià)是降低線 性度。在反向偏置條件下，存在少量的電流(稱為暗電 流)，它們甚至在沒有光照度的情況下也會(huì)流動(dòng)?？稍谶\(yùn)算 放大器的同相輸入端使用第二個(gè)同類光電二極管消除暗電 流誤差，如圖1所示。 有三個(gè)因素影響光電二極管的響應(yīng)時(shí)間： 處于光電二極管耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時(shí)間 處于光電二極管未耗盡區(qū)域內(nèi)載波的充電采集時(shí)間 二極管電路組合的RC時(shí)間常數(shù) 由于結(jié)電容取決于光電二極管的擴(kuò)散區(qū)以及施加的反向偏 置，采用擴(kuò)散區(qū)較小的光電二極管并施加較大的反向偏置 即可獲得更快的上升時(shí)間。在CN0272電路筆記中，采用 SFH 2701 PIN光電二極管，其結(jié)電容典型值為3 pF，0 V偏 置下的最大值為5 pF。1 V反向偏置時(shí)的典型電容為2 pF，5 V 反向偏置時(shí)為1.7 pF。本電路的測量均在5 V反向偏置下進(jìn) 行。 圖2. 寬帶光電二極管前置放大器用于交流和噪聲分析的等效電路 ? 圖2顯示了一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)光電二極管的電氣 模型，其基本傳遞函數(shù)為： 其中，IPHOTO為光電二極管的輸出電流， RF 和CF 的并聯(lián)組合 設(shè)置信號(hào)帶寬。理想情況下，光電二極管的全部輸出電流 均通過 RF,，但由于所有運(yùn)算放大器都存在輸入偏置電流， 導(dǎo)致其輸出產(chǎn)生誤差。最好能夠?qū)⑦\(yùn)算放大器的輸入偏置 電流限制在數(shù)pA范圍內(nèi)，并且壓低輸入失調(diào)電壓，以使誤 差最小。AD8065 的輸入偏置電流僅為2 pA，輸入失調(diào)電壓 僅為400 μV。 本電路設(shè)計(jì)為提供5 V滿量程輸出，最大光電二極管電流為 200μA。由此確定反饋電阻值： 此前置放大器所能實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定帶寬是以下參數(shù)的函數(shù)：RF, 放大器的增益帶寬積(65 MHz)，以及放大器求和點(diǎn)的 總電容CIN對本電路而言，二極管SFH 2701 (OSRAM Opto Semiconductors GmbH)的最大電容值 CD = 5 pF。AD8065 共模輸入電容為CM = 2.1 pF, 差模輸入電容為CD = 4.5 pF. 因此，總輸入電容為CIN = 11.6 pF. 在45°相位裕量f(45)下產(chǎn)生的信號(hào)帶寬可以表示為： 由于可實(shí)現(xiàn)的最大帶寬大于所需帶寬，AD8065非常適合本 應(yīng)用，這多數(shù)要?dú)w功于其較大的fCR和CIN之比。 RF和CIN在放大器的環(huán)路傳遞函數(shù)中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)， 它可能 會(huì)導(dǎo)致峰化和電路不穩(wěn)定(見圖3)). 增加CF 可以在環(huán)路的傳 遞函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)零點(diǎn)，它能補(bǔ)償上述極點(diǎn)的影響并降低 信號(hào)帶寬。 圖3. 輸入電容補(bǔ)償 ? 選定RF，則產(chǎn)生2 MHz帶寬的CF值可以表示為： 通過計(jì)算獲得45°相位裕量所需的電容值，可確定3.3 pF電容 對于穩(wěn)定系統(tǒng)是否足夠。產(chǎn)生f(45)的CF值可以表示為： 由于所需的3.3 pF高于1.1 pF的最小值，而通過增加電容值 便可增加相位裕量，因此系統(tǒng)穩(wěn)定。 噪聲分析 選定器件后，必須確定完成信號(hào)轉(zhuǎn)換所需的分辨率。如同 大多數(shù)的噪聲分析一樣，只需考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。噪聲源 以RSS方式疊加；因此，只需考慮至少高于其它噪聲源三 至四倍的任何單個(gè)噪聲源即可。 對于光電二極管前置放大器而言，主要的輸出噪聲源是運(yùn) 算放大器的輸入電壓噪聲和反饋電阻噪聲。FET輸入運(yùn)算 放大器的輸入電流噪聲可忽略不計(jì)。由于寄生電容具有濾 波效果，反向偏置引起的光電二極管散粒噪聲可忽略不 計(jì)。 電阻噪聲可根據(jù)約翰遜噪聲公式計(jì)算： 其中： k 表示玻爾茲曼常數(shù)(1.38 × 10-23J/K)。 T 表示絕對溫度(單位K)。 系數(shù)1.57將近似單極點(diǎn)帶寬轉(zhuǎn)換為等效噪聲帶寬。 注意，前置放大器正輸入端的0.1 μF 電容可消除第二個(gè)RF 電 阻產(chǎn)生的高頻噪聲，該電阻用于抵消偏置電流的影響。 輸出噪聲主要源于輸入電壓噪聲和高頻噪聲增益峰化，峰 化現(xiàn)象發(fā)生在f1 和fCR之間。若假定整個(gè)頻率范圍內(nèi)的輸出 噪聲不變，并且使用了交流噪聲增益的最大值，則： 其中， VN表示放大器的輸入電壓噪聲(7 nV/√Hz)。 折合到輸出的總均方根噪聲便是兩個(gè)器件的RSS值： 前置放大器的總輸出動(dòng)態(tài)范圍可這樣計(jì)算：將滿量程輸出 信號(hào)(5 V)除以總輸出均方根噪聲(67 μV rms) ，然后轉(zhuǎn)化為dB， 其結(jié)果約等于97dB。 ADC選型 由于放大器的噪聲輸出量(即能夠解析出來的最大位數(shù))可 通過將滿量程輸出除以均方根噪聲算得： 因此，均方根LSB的數(shù)量可轉(zhuǎn)化為有效分辨率： 從有效分辨率中減去2.7位，即可得到無噪聲碼分辨率 根據(jù)最終應(yīng)用的不同，13位可能遠(yuǎn)高于實(shí)際需要的分辨 率。由于目標(biāo)應(yīng)用無需這么高的分辨率，可以確定本系統(tǒng) 符合12位的設(shè)計(jì)要求。 如果LSB以電流表示的數(shù)值低于暗電流，則如前文所述， 可在運(yùn)算放大器的同相輸入端使用第二個(gè)同類光電二極管 消除暗電流。例如，若要求16位分辨率，則檢測到的光電 流量為： 由于流經(jīng)SFH 2701的最大暗電流額定值為5 nA，則在16位 設(shè)計(jì)中就需要暗電流補(bǔ)償。 本應(yīng)用采用12位ADC，因此LSB值為49 nA，無需進(jìn)行暗電 流補(bǔ)償。 若帶寬為2 MHz，則合理的設(shè)計(jì)原則是選擇一個(gè)10倍或更高 采樣速率的ADC。這表示，理想的ADC必須具有12位分辨 率，采樣速率必須達(dá)到20 MSPS。 AD9629-20 是一款20 MSPS、12位分辨率的ADC，可作為理 想的替代產(chǎn)品使用。但它要求差分輸入，并且5 V p-p單端 輸入必須轉(zhuǎn)換為2 V p-p差分信號(hào)。使用AD8475 差分漏斗放 大器可輕松滿足這一要求。它能簡化單端至差分轉(zhuǎn)換，并 提供共模電平轉(zhuǎn)換和精密衰減。 AD8475最大輸出失調(diào)僅為500μV，具有10 nV/μHz的差分輸 出噪聲，以及?112 dB的總諧波失真加噪聲(THD + N)性能。 AD8475 AD8475支持最大輸出電壓為2 V p-p，最高頻率為10 MHz， 完全符合2 MHz的設(shè)計(jì)要求。 AD8475 的增益由 AD9629-20的模擬輸入范圍(2 V p-p)和AD8065的滿量程輸出(5 V p-p)共同決定。 AD9629-20 通過VCM引腳提供0.9 V的片內(nèi)共模電壓。該引 腳以0.9 V共模電壓驅(qū)動(dòng)AD8475 的VOCM引腳。 重要的是，必須考慮本系統(tǒng)中AD8475 的噪聲貢獻(xiàn)。首先， 將AD8065 (67 μV rms)的輸出噪聲乘以AD8475的增益，即可 算出AD8065的噪聲貢獻(xiàn)。 AD8475的輸出噪聲可這樣計(jì)算：將輸出噪聲密度(10nV/μ Hz)乘以帶寬的平方根(通過輸出濾波器設(shè)置)。 經(jīng)濾波處理后的AD8475輸出噪聲= 把AD8475 經(jīng)濾波后的輸出端總噪聲可利用兩個(gè)器件的RSS值 計(jì)算： 把AD8475的噪聲貢獻(xiàn)計(jì)算在內(nèi)，便可確定進(jìn)行解析所需的 位數(shù)，還能進(jìn)行總動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算。 測試結(jié)果 使用一個(gè)激光二極管驅(qū)動(dòng)D1光電二極管，并產(chǎn)生電流。光 電二極管D2用于暗電流補(bǔ)償，其覆有光學(xué)不透明環(huán)氧樹脂 (EPO-TEK? 320)材料，當(dāng)D1受到激勵(lì)時(shí)，可防止D2產(chǎn)生輸 出電流。 通過迫使光電二極管驅(qū)動(dòng)一個(gè)高于預(yù)期的電流，AD8065的 近似最大上升和下降時(shí)間達(dá)到72 ns(見圖4)。 圖4. 對光電二極管進(jìn)行過驅(qū)得到的脈沖響應(yīng) ? 通過改變激光二極管的位置，使其不再對光電二極管過驅(qū) 至超過200μA，便可測得更實(shí)用的系統(tǒng)上升和下降時(shí)間。 圖5顯示AD8065的上升和下降測量值分別為282 ns和290 ns。 需注意，由于存在足夠的相位裕量，在兩種測試用例中分 別關(guān)閉激光二極管后，均不存在振鈴。 圖5.激光二極管的脈沖響應(yīng) ? 既然已經(jīng)測試了系統(tǒng)對亮光脈沖的響應(yīng)，那么系統(tǒng)對光強(qiáng) 高速變化的響應(yīng)亦可測得。利用Agilent 33250A函數(shù)發(fā)生器 以2 MHz的正弦波驅(qū)動(dòng)激光二極管。圖6顯示 AD8065 可正確檢測較小的光強(qiáng)變化，圖7顯示 CN0272 評估軟件 正 確獲取AD9629-20 ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并以圖形方式顯示的 屏幕截圖。 圖6. 使用可變光源的AD8065輸出 ? 圖7. CN0272評估軟件對2 MHz可變光源進(jìn)行數(shù)字化處理的屏幕截圖 ? 有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請參閱 http://www.analog.com/CN0272-DesignSupport。 脈搏血氧儀中的應(yīng)用 脈搏血氧儀是一種醫(yī)療設(shè)備，用于連續(xù)測量氧飽和血紅蛋白(Hgb)的百分比和病人的脈搏數(shù)。攜氧血紅蛋白(氧合血紅蛋白)吸收紅外光譜區(qū)(940 nm)中的光，未攜氧的血紅蛋白(脫氧血紅蛋白)則吸收可見紅光(650 nm) 。通過計(jì)算這兩個(gè)光強(qiáng)之比，便可得到體內(nèi)氧氣含量的百分比。 在脈搏血氧儀中，兩個(gè)LED(一個(gè)發(fā)出紅光，另一個(gè)發(fā)出紅外光)受到兩個(gè)電流源快速并有順序的激勵(lì)，并用一個(gè)光電二極管檢測LED的光強(qiáng)。圖1中的電路可與LED吸電流電路同步(如CN-0125)，以便捕捉透過組織傳遞的每個(gè)LED發(fā)出的光。 CN0272 CN0272 具有暗電流補(bǔ)償功能的2 MHz帶寬PIN光電二極管前置放大器 圖1所示電路是一個(gè)高速光電二極管信號(hào)調(diào)理電路，具有 暗電流補(bǔ)償功能。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換來自高速硅PIN光電二極管的 電流，并驅(qū)動(dòng)20 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。該器件組 合可提供400 nm至1050 nm的頻譜敏感度和49 nA的光電流 敏感度、91 dB的動(dòng)態(tài)范圍以及2 MHz的帶寬。信號(hào)調(diào)理電 路采用±5 V電源供電，功耗僅為40 mA，適合便攜式高速、 高分辨率光強(qiáng)度應(yīng)用，如脈搏血氧儀。 圖1. 具有暗電流補(bǔ)償功能的光電二極管前置放大器系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) ? 本電路還適合其它應(yīng)用，如模擬光隔離器。它還能滿足需 要更高帶寬和更低分辨率的應(yīng)用，如自適應(yīng)速度控制系 統(tǒng)。 本電路筆記討論圖1中所示電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，以滿足 特定帶寬應(yīng)用的要求，這些步驟包括：穩(wěn)定性計(jì)算、噪聲 分析和器件選擇考慮因素。 CN0272 CN0272 | circuit note and reference circuit info 具有暗電流補(bǔ)償功能的2 MHz帶寬PIN光電二極管前置放大器 | Analog Devices 圖1所示電路是一個(gè)高速光電二極管信號(hào)調(diào)理電路，具有 暗電流補(bǔ)償功能。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換來自高速硅PIN光電二極管的 電流，并驅(qū)動(dòng)20 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。該器件組 合可提供400 nm至1050 nm的頻譜敏感度和49 nA的光電流 敏感度、91 dB的動(dòng)態(tài)范圍以及2 MHz的帶寬。

• 高速光電二極管信號(hào)調(diào)理電路
• 91dB動(dòng)態(tài)范圍，電路功耗僅40 mA
• 暗電流補(bǔ)償
• 頻譜范圍從400nm至1050nm
• 非常適合便攜式高速應(yīng)用

(analog)