CN101447769A - 一种光电二极管放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电二极管放大器，将增益带宽乘积在1.6GHz以上的第一运算放大器正输入端接地，负输入端连结到阻值为10－130kΩ的贴片式金属薄膜增益电阻一端，第一运算放大器输出端接增益电阻另一端，将寄生电容在50pF－5nF的光电二极管负极与第一运算放大器正输入端相连，光电二极管正负极分别连结到电压增益为1的自举缓冲器输入端与输出端上，该自举缓冲器由负输入端与输出相连结的增益带宽乘积在45MHz以上的第二运算放大器构成，其负输入端构成自举缓冲器的输入端，第二运算放大器d的输出端为自举缓冲器的输出端。本发明达到了放大器性能高、自举技术实现简单、能自动调节反馈电容和对于不同光电二极管能够自适应的要求。
Description
技术领域
本发明属于光电探测放大器技术领域，特别涉及使用运算放大器的大光敏面积光电二极管的高速低噪声放大器。
背景技术
《美国电气和电子工程师协会传感器期刊》(IEEE Sensors Journal)2005年4月第5卷第2号第281页到第288页上的论文《针对光学断层摄影术的高性能光电二极管接收器的设计》(“Design of high-performance photodiode receivers for opticaltomography”)，比较性地使用了各种不同的运算放大器来搭建电路，但无论采用传统光电二极管放大器还是差分放大器结构，其3dB带宽理论值都没有超过760kHz，输出噪声频谱密度理论值也不低于1.2μV/
。
美国德州仪器公司2006年发布的编号为SBOS251D关于其产品高速运算放大器OPA847的产品数据表中的应用笔记指出，若将该产品用于传统电路结构的光电二极管放大器中，可使放大器带宽理论上超过10MHz。但是其电路设计存在两个问题：一、使用的光电二极管其寄生电容必须小于50pF，由于光电二极管寄生电容随着其光敏面积的减小而减小，因而该放大器只适用于小光敏面积的光电二极管；二、文中的放大器电路要求对其中的反馈电容值进行0.1pF量级的精细调节，方能使带宽达到预期值，这在分立元件构成的印刷电路板上很难实现。
美国光学协会的《光学与光子学新闻》(Optics & Photonics News，2001年4月)中的论文“光电二极管的前端”(“Photodiode front ends”)中的设计，虽然使用了自举技术对传统光电二极管放大器电路进行了改进，但该自举技术是通过三极管、电阻等分立元件来实现的，且其带宽没有超过1MHz。
《美国电气和电子工程师协会固态电路期刊》(IEEE Journal of Solid-StateCircuits)2007年9月第42卷第9号第1851页到第1864页上的论文“一种使用光电二极管寄生电容自举抑制技术和垂直门限调整技术实现的增益54dBΩ+42dB速度10Gb/s的锗化硅互阻限幅放大器”(“A 54dBΩ+42dB 10Gb/s SiGe transimpedance-limitingamplifier using bootsrap photodiode capacitance neutralization and verticalthreshold adjustment”)，虽然使用了自举技术达到很高带宽，但该放大器存在两个问题：1、针对的是数字通信而非精密模拟应用，噪声高，全频带上等效输出噪声不小于200nV/；2、由于该放大器是集成芯片，使用数量小的时候造价高，不便实现，且参数固定无法调节。
发明内容
本发明提出一种光电二极管放大器，以克服以往技术中大光敏面积、低噪声和高速三个指标难以同时提高的缺点，达到放大器性能高、自举技术实现简单、能自动调节反馈电容和对于不同光电二极管能够自适应的要求。
本发明光电二极管放大器，将增益带宽乘积在1.6GHz以上的第一运算放大器a的正输入端接地，负输入端连结到增益电阻b一端，该增益电阻b是一个阻值为10-130kΩ的贴片式金属薄膜电阻，第一运算放大器a的输出端e与增益电阻b的另一端连结，将寄生电容在50pF-5nF的光电二极管c的负极与第一运算放大器a的正输入端相连，并将光电二极管c的正负极分别连结到电压增益为1的自举缓冲器的输入端与输出端上；其特征在于：所述自举缓冲器由工作在电压跟随器模式——即负输入端与输出相连结的增益带宽乘积在45MHz以上的第二运算放大器d构成，该第二运算放大器d的负输入端构成所述自举缓冲器的输入端，第二运算放大器d的输出端构成所述自举缓冲器的输出端。
使用时，如果有光信号进入光电二极管c，光电二极管c内部就会将光信号转换成光电流。光电流流过增益电阻b之后，在第一运算放大器a输出端e形成电位，光信号就转变成了电压信号，然后从第一运算放大器a的输出端e也就是本发明光电二极管放大器的总输出端传递到下一级。下一级可以是电压放大器、锁相放大器、数模转换器等装置。由于光电二极管正负极始终连结着由一颗工作在负反馈状态下即电压跟随器模式的第二运算放大器所构成的自举缓冲器，所以光电二极管两端电压保持不变，相当于光电二极管上的寄生电容被隔离，光电流不从寄生电容上流过，尤其是高频的光电流不从寄生电容上流过，这样放大器的带宽不受光电二极管上寄生电容的限制而得到了提高。
与背景技术《针对光学断层摄影术的高性能光电二极管接收器的设计》相比，由于本发明在传统光电二极管放大器电路的基础上加入了自举技术，使光电二极管的寄生电容被大大抑制，这样一来产生两个有利结果：1、使放大器带宽最高提升到12MHz；2、使光电二极管的选择范围得以拓展，不受寄生电容值的限制。凡是寄生电容范围在50pF到5nF之间的光电二极管都可使用本发明放大器；由于光电二极管的寄生电容值主要由光敏面积决定，所以光敏面积在3mm2到200mm2之间的铟砷化镓光电二极管，以及光敏面积在4mm2到440mm2之间的硅光电二极管，都可使用本发明放大器，因而本发明放大器实际上对于光敏面积从小到大的各种光电二极管都是适用且自适应的。另外，本发明与背景技术相比，只增加了一个元件即实现自举缓冲功能的第二运算放大器，所以噪声没有明显提高。事实上，通过选用低噪声的运算放大器，可控制输出噪声不高于
比背景技术中的
更低。
与现有美国德州仪器公司的产品运算放大器OPA847应用笔记中的电路相比，本发明省去了对反馈电容的调节。由于本发明放大器加入了自举技术，并且通过主放大器与自举缓冲器中两个运算放大器的搭配，放大电路只利用增益电阻上典型值为250fF的寄生电容就能实现频率补偿，而且频率响应对该寄生电容值并不敏感，即放大器对增益电阻没有特殊要求，其寄生电容值从200fF变化到600fF，对频率响应均没有影响。因此对因增益电阻工艺不同导致的寄生电容值不同，即反馈电容值的不同，本发明放大器是能够自动调节的。此外，与该背景技术只能使用寄生电容小于50pF的小光敏面积光电二极管相比，本发明可应用于寄生电容值范围在50pF到5nF之间的各种光电二极管，即光敏面积在3mm2到200mm2之间的铟砷化镓光电二极管以及光敏面积在4mm2到440mm2之间的硅光电二极管，这其中包括了大光敏面积光电二极管。
与现有《光电二极管的前端》中的设计相比，同样是使用自举技术，背景技术采用多个三极管与电阻的组合来构成自举缓冲器，而本发明仅使用一个运算放大器来实现。这样做有两个优点：1、运算放大器使用方便且性能统一；2、由于运算放大器具有极大开环增益，所以当其处在负反馈状态作为缓冲器工作时，比起背景技术中的缓冲器发挥的自举功能来效果要明显得多，因此本发明最终达到的最高带宽12MHz，比同样使用了自举技术的背景技术中放大器的带宽1MHz要高得多。
与背景技术《一种使用光电二极管寄生电容自举抑制技术和垂直门限调整技术实现的增益54dBΩ+42dB速度10Gb/s的锗化硅互阻限幅放大器》相比，前者虽然也使用了自举技术且达到的带宽很高，但因为是集成电路，放大倍数等参数改动起来不灵活，而且成本高昂得多，实现复杂得多。更重要的是，背景技术中的集成电路放大器，其主放大器没有使用工作在负反馈状态的运算放大器来构成，导致噪声较高，其全频带上等效输出噪声不小于
而本发明放大器在放大倍数为90dBΩ时，最高噪声才，在有些频段低至
信噪比要比背景技术高得多。
附图说明
图1是本发明大光敏面积光电二极管的高速低噪声放大器电路原理图。
图2是本发明大光敏面积光电二极管的高速低噪声放大器的一种具体实施电路图。
图3是实施例中放大器电路计算采用的电路模型图。
图4是实施例中放大器的典型频率响应曲线。
图5是实施例中放大器的典型噪声频谱曲线。
图6是实施例中放大器光电二极管上寄生电容改变时的频率响应曲线。
图7是实施例中放大器增益电阻上寄生电容改变时的频率响应曲线。
图8是实施例中放大器变增益电阻时的频率响应曲线。
具体实施方式
实施例1：
图1是本发明大光敏面积光电二极管的高速低噪声放大器电路原理图。本发明光电二极管放大器，将一颗增益带宽乘积在1.6GHz以上的第一运算放大器a的正输入端接地，负输入端连结到增益电阻b一端，增益电阻b是一个贴片式的金属薄膜电阻，阻值在10kΩ到130kΩ之间，第一运算放大器a的输出端e与增益电阻b的另一端连结，将一只寄生电容在50pF到5nF之间的光电二极管c的负极与第一运算放大器a的正输入端相连，又将光电二极管c的正负极分别连结到一个电压增益为1的自举缓冲器的输入端与输出端上；所述自举缓冲器是由一颗工作在电压跟随器模式，即负输入端与输出相连结的增益带宽乘积在45MHz以上的第二运算放大器d构成，该第二运算放大器d的负输入端构成所述自举缓冲器的输入端，第二运算放大器d的输出端构成所述自举缓冲器的输出端。
图2给出了本发明大光敏面积光电二极管的高速低噪声放大器的一种具体实施电路图。如图2所示：本实施例中使用一颗美国德州仪器公司生产的运算放大器OPA657，将其正输入端接地，负输入端连结到增益电阻b一端，增益电阻b是一个贴片式的金属薄膜电阻，阻值在10kΩ到130kΩ之间。运算放大器OPA657的输出端e与增益电阻b的另一端连结，构成一个负反馈环。将一只寄生电容在50pF到5nF之间的光电二极管c的负极与运算放大器OPA657的正输入端相连，又将光电二极管c的正负极分别连结到一个电压增益为1的自举缓冲器的输入端与输出端上，所述自举缓冲器是由一颗德州仪器公司生产的运算放大器OPA37的负输入端与一个阻值为1kΩ的贴片式的金属薄膜型保护电阻u的一端相连，保护电阻u的另一端与OPA37的输出端相连而成，此时运算放大器OPA37以电压跟随器的模式工作，OPA37的负输入端构成了自举缓冲器的输入端，OPA37的输出端构成了自举缓冲器的输出端。
选择OPA657这个运算放大器，原因是其1.6GHz的增益带宽乘积为整个放大系统提供了足够的带宽支持，而增益带宽乘积指标在OPA657之上即1.6GHz之上的其它型号的运算放大器，也可用在本发明中使用，如美国国家半导体公司生产的增益带宽乘积为1.7GHz的运算放大器LMH6702，美国德州仪器公司生产的增益带宽乘积为1.75GHz的运算放大器OPA846，增益带宽乘积为3.9GHz的运算放大器OPA847等等。
增益电阻b阻值可在10kΩ到130kΩ之间，根据具体所需放大倍数来确定，此电阻可调整、可更换。其封装为贴片式的金属薄膜型，该类型封装电阻上的寄生电容典型值为0.25pF，能够满足频率补偿的要求。即使由于制造工艺的原因而造成电阻寄生电容值在0.2pF～0.6pF之间进行波动，依然能满足本发明放大器的频率补偿需要。
光电二极管c的寄生电容f可在50pF到5nF之间选择。选择的光敏面积越大，则寄生电容值越大。对于铟砷化镓光电二极管，光敏面积可在在3mm2到200mm2之间进行选择，对于硅光电二极管，光敏面积可在4mm2到440mm2之间进行选择，而对光电二极管的其它参数不作要求。
构成自举缓冲器d的，是一颗以电压跟随器的模式工作美国德州仪器公司生产的运算放大器OPA37，其电压跟随器模式按照其芯片说明书上所述的方式进行连结，在此工作模式中连结在OPA37负输入端与输出端的之间的电阻u阻值为1kΩ，起输入保护作用，其1kΩ这个参数取值是OPA37说明书上所推荐的。选择OPA37，一是因为它是场效应管输入器件，偏置电流小于100nA，这个量级的偏置电流不会对作为信号的光电流造成干扰；二是因为OPA37的增益带宽乘积在45MHz以上，不会对放大器系统的总带宽造成限制。其它型号增益带宽乘积在45MHz以上的运算放大器可以代替这里的OPA37进行使用。在使用其它型号的运算放大器时，构成自举缓冲器的运算放大器电压跟随器工作模式要参考各自的说明书上的参考电路来进行连结。
两颗运算放大器OPA657与OPA37都使用±5伏的电源供电。在电源接口o、h、i、n与地线之间，使用电容p、q、f、g、j、k、l、m对电源进行滤波。对电源滤波电容的工艺、封装和参数没有特殊要求。
在工作时，使用±5伏电源对两个运算放大器供电。当光电二极管探测到光信号时，光电二极管c内部将光信号转换成光电流。光电流流过增益电阻b之后，在运算放大器OPA657的输出端e形成电压，光信号就转变成了电压信号，然后从运算放大器OPA657的输出端e也就是本发明光电二极管放大器的总输出端传递到下一级。下一级可以是电压放大器、锁相放大器、数模转换器等装置。由于光电二极管正负极始终连结着由一颗工作在负反馈状态下电压跟随器模式的运算放大器OPA37所构成的自举缓冲器，所以光电二极管两端电压保持不变，相当于光电二极管上的寄生电容被隔离，光电流不从寄生电容上流过，尤其是高频的光电流不从其上流过，这样，放大器的带宽不受光电二极管上寄生电容的限制而得到了提高。
图3为用于进行本实施例中放大器电路计算采用的电路模型图。增益电阻b的值在10kΩ到130kΩ之间，增益电阻的寄生电容s，其典型值为0.25pF；因为电阻工艺的原因，这个典型值会有所波动，计算时考虑寄生电容s的值在0.2pF～0.6pF之间进行波动的情况。将光电二极管c等效为三个并联的元件：一个二极管v、一个因光照所产生的电流源t和一个寄生电容r。光电二极管寄生电容r变化范围在50pF～5nF之间。运算放大器a采用德州仪器提供的OPA657的SPICE宏模型，运算放大器d采用德州仪器提供的OPA37的SPICE宏模型。
按照图3所示的电路模型，使用德州仪器公司的SPICE电路分析软件TINA-TI7.0版来进行计算，得到关于光电二极管放大器的频率响应和噪声水平结果。
图4是本实施例中放大器的典型频率响应曲线。当增益电阻b的取典型值为30kΩ，其寄生电容s的典型值为0.25pF，光电二极管的寄生电容r值为200pF时，计算得到放大器的典型频率响应曲线x如图4中所示，通过3dB增益参考水平c6与频响曲线x之间的交点，可判断放大器的3dB带宽为12MHz。
同样的参数条件下，得到放大器的典型输出噪声频谱曲线y，图5是本实施例中放大器的典型噪声频谱曲线。如图5中所示，从直流到100Hz的低频段，噪声从
下降到呈现典型的1/f噪声特性。在100Hz～100kHz段，噪声水平保持在
之间，这是放大器的低噪声区。此后噪声水平开始上升，在11MHz处达到最高水平
随即下降，因带宽而截止。
图6是本实施例中放大器光电二极管上寄生电容改变时的频率响应曲线。保持增益电阻b的典型值30kΩ，增益电阻的寄生电容s典型值0.25pF。当光电二极管因光敏面积不同，寄生电容r取值不同时，得到放大器频响曲线ml对应寄生电容r的取值50pF，频响曲线m2对应寄生电容r的取值200pF，频响曲线m3对应寄生电容r的取值1nF，频响曲线m4对应寄生电容r的取值5nF，如图6中所示；通过与3dB增益衰减水平c6相比，可得到当寄生电容r取到5nF时，放大器带宽才下降到5MHz。图中的曲线证明放大器对不同光敏面积具有不同寄生电容值各种光电二极管都是适用的，在光敏面积很大导致寄生电容达到5nF时，放大器仍然保持很高的带宽。
图7是本实施例中放大器增益电阻上寄生电容改变时的频率响应曲线。保持增益电阻b的典型值30kΩ，光电二极管寄生电容r典型值200pF，改变增益电阻上的寄生电容s的值得到放大器不同的变电容频响曲线c1对应寄生电容值0.2pF，变电容频响曲线c2对应寄生电容值0.3pF，变电容频响曲线c3对应寄生电容值0.4pF，变电容频响曲线c4对应寄生电容值0.5pF，变电容频响曲线c5对应寄生电容值0.6pF，如图7中所示。图中的曲线证明频率响应几乎不受增益电阻上的寄生电容s改变的影响，参考3dB增益衰减水平c6，得到各曲线的带宽均超过12MHz。这证明，不使用额外的补偿电容，仅利用增益电阻上的寄生电容来进行频率补偿，这种设计是可行的，而且即使寄生电容值大范围地波动，本发明放大器对此也能够自适应。
图8是实施例中放大器变增益电阻时的频率响应曲线。保持光电二极管寄生电容r典型值200pF，增益电阻上的寄生电容s为0.25pF，当调整增益电阻b阻值以调整放大倍数时，得到放大器变电阻频响曲线n1对应增益电阻值10kΩ，放大器变电阻频响曲线n2对应增益电阻值30kΩ，放大器变电阻频响曲线n3对应增益电阻值70kΩ，放大器变电阻频响曲线n4对应增益电阻值130kΩ，如图8中所示。计算表明增益电阻值在该范围内调整变化时，放大器的带宽始终高于10MHz。
Claims (1)
1、一种光电二极管放大器，将增益带宽乘积在1.6GHz以上的第一运算放大器a的正输入端接地，负输入端连结到增益电阻b一端，该增益电阻b是一个阻值为10-130kΩ的贴片式金属薄膜电阻，第一运算放大器a的输出端e与增益电阻b的另一端连结，将寄生电容在50pF-5nF的光电二极管c的负极与第一运算放大器a的正输入端相连，并将光电二极管c的正负极分别连结到电压增益为1的自举缓冲器的输入端与输出端上；其特征在于：所述自举缓冲器由负输入端与输出相连结的增益带宽乘积在45MHz以上的第二运算放大器d构成，该第二运算放大器d的负输入端构成所述自举缓冲器的输入端，第二运算放大器d的输出端构成所述自举缓冲器的输出端。
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