光电二极管检测电路的工作原理及设计方案

　　此时系统的相位容限将为65° ，而阶跃函数的过冲是5%。用式（6），CF的值将为

　　这种保守的方法会轻微增加系统噪声。上述两种结果均可用模拟程序#7～#10分别对表1中的MCP601和OPAMP#2进行模拟。

　　系统的噪声性能是通过计算或模拟而推导出来的，它涉及到频率响应中五个区域的噪声和反馈电阻噪声。这五个区域如图8所示。图8中将整个响应分成五个区域便可容易地计算出噪声电压。每个区域内的总噪声等于系统增益（1/b ）乘以放大器噪声的均方根值。RF的噪声不乘系统增益。

　　该系统的噪声电压完整计算如下

　　（7）

　　式中e2N是指定频率范围内的平方累积噪声，（N=1，2，……5）。

　　尽管这些计算看来较冗长，但还是相当有指导意义的。计算结果将得出总的系统噪声并指出有问题的区域。

　　系统噪声的累积均方根值也可用SPICE模拟。其X轴为频率（Hz），Y 轴是从直流到指定频率的累积噪声电压（V）。

　　一个SPICE噪声模拟需要一个独立的交流电压源或电流源。此时电路的输出噪声（RTO）可被模拟。在这个模拟中，X轴为频率（Hz），Y轴为噪声的累积均方根值VRMS。在运行模拟程序之前，应确保已经键入了用户想采用的反馈电容值。

图8 系统噪声

　　采用MCP601放大器模拟系统的累积噪声，结果显示噪声主要发生在较高的频率处。增加CF的值或减少RF的值可容易地降低整个系统的噪声。

　　另一个降低噪声的方法是减小放大器的带宽。这可从模拟“运放#2”中观察到。在运行模拟程序之前，要保证已键入了用户想采用的反馈电容值。

　　采用“运放#2”模拟系统的累积噪声显示了所希望的结果，但是，光电二极管输入信号的带宽却由于放大器的带宽限制而大大减小。在某些应用领域，这可能是不可折衷的。为了降低噪声，这个电路输出端可减小的其它参数是光电二极管的寄生电容CPD和运放的输入电容CCM和CDIFF。

　　在光电二极管前置放大器电路中，允许的最大噪声是多少？作为一种参考，工作在5V输入范围的12位系统具有相当于1.22mV的LSB。而同样输入电压范围的16位系统的LSB则为76.29m V。

　　本文特别关注了与标准光检测电路有关的稳定性和噪声问题。电路工作原理为如何较好地解决设计问题提供了思路。而模拟则用于验证理论，它说明如何才能设计出一个低噪声又充分稳定的电路方案。设计中的可变参数是光电二极管、运算放大器和反馈网络。选择光电二极管主要是因为其良好的光响应特性。但是，它的寄生电容会对噪声增益和电路的稳定性产生影响。选择运放是由于其小的输入偏置电流和带宽。此外，放大器产生的噪声也是一个重要的指标。最后，反馈网络也影响系统的信号带宽和噪声幅度。

　　一旦理论和模拟相互吻合，设计过程中最后且最重要的一步就是制作实验模拟板。