如何为互阻抗放大器电路选择组件

　　在高精度光电转换应用中，我们经常使用光电二极管和互阻抗放大器将光信号转换为电信号，并将其放大。如图1所示，通过R1的光电流可在放大器输出端产生电压，实现电流电压转换。这是最简单、最常用的光电转换电路。本文将介绍如何在已有光电二极管的情况下选择放大器，如何在已有放大器的情况下选择光电二极管，以及如何优化反馈电阻器R1及补偿电容器C1。

　　图1：最简单的常用光电转换电路

　　图2是开环增益(Aol)、互阻抗(电流至电压 I-V)增益以及整个频率下的噪声增益。根据图2，在互阻抗电路设计过程中，我们必须考虑零点、极点以及放大器GBW(fc)，以满足系统要求。

　　图2：互阻抗放大器的频率响应

　　硅光电二极管、PIN二极管和APD二极管是三种典型的光电二极管。硅光电二极管专为高精度光度测定领域设计，因为它们具有高灵敏度与低暗电流。PIN二极管能够以低偏置电压提供大带宽，一般用于高速光度测定与光通信。APD二极管具有高内部增益机制、快速时间响应以及紫外至近红外区的高灵敏度，主要用于高速远距离光通信系统。

　　硅光电二极管的主要规范有光谱响应、光灵敏度、暗电流、终端电容、分流电阻、响应时间以及噪声等效功率。运算放大器规范也很重要。在本应用中，我们更关注放大器的偏置电流、失调、GBW、噪声、输入电容以及输出轨。选择运算放大器时，首先应选择JFET或CMOS放大器。JFET与CMOS输入放大器具有极低的偏置电流，非常适合光电转换。

　　在光电二极管规范确定后，如何选择放大器、R1和C1：

　　在本部分中，我们将探讨在指定了系统带宽(BW0)和光电二极管特征(光电二极管结点电容Cd和光电二极管分流电阻Rsh)的情况下如何选择组件。目标是选择放大器、反馈电阻器和补偿电容器。现在我们已知的参数有BW0、Cd和Rsh。在光电转换过程中，输出噪声可影响电路灵敏度。光电二极管在应用中的最大输出电流由输入光学功率以及光电二极管规范决定。因此，我们可通过在开始进行计算或测量来确定光电二极管的最大输出电流Iomax。

　　放大器具有输出轨限制，从来不会超过电源范围。某些放大器输出轨非常接近电源轨，而某些输出轨却有极大限制。我们可以参考运算放大器产品说明书，了解具体电轨限制。为让放大器工作在线性区域，我们必须限制反馈电阻器的值。在设计电路时，可能会有放大器偏置电流、输入失调以及二极管暗电流造成的大量输出失调。输出失调不仅会限制放大器的AC动态范围，而且还会限制反馈电阻器的值：

　　如果R1太小，放大器AC输出动态范围就很浪费。另一方面，大型R1会增大电路输出噪声，如图3所示。

　　图3：反馈电阻器对噪声增益的影响

　　从图2 我们知道，I-V 增益带宽由极点频率fpf决定，而fpf又由反馈电阻器R1和补偿电容器C1决定，因此

。噪声增益曲线上的零点(fzf)和极点(fpf)构成了噪声曲线。极点和零点是决定总噪声的两个主要因素。零点fzf由R1和Ci(Ci=Cd+Ci-OPA，即二极管结点电容Cd和放大器输入电容Ci-OPA之和)决定。极点 fpf由R1和C1决定。

　　较大电路带宽需要较小补偿电容，但较小补偿电容将增大噪声增益，导致输出更大噪声，降低分辨率，如图4 所示。

　　图4：补偿电容对噪声增益的影响