光电二极管放大器电路设计

最新推荐文章于 2025-03-16 09:41:08 发布

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分类专栏：基础电路设计文章标签： TIA 跨阻电路电流放大电流检测光电二极管电流检测 1024程序员节

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1 简介

该电路包含一个配置为跨阻放大器的运算放大器，用于检测光电二极管输出电流。

2 设计目标

2.1 输入

$I_{iMin}=0A$
$I_{iMax}=2.4uA$

2.2 输出

$V_{oMin}=100mV$
$V_{oMax}=4.9V$

2.3 电源

$V_{ee}=0V$
$V_{cc}=5V$
$V_{ref}=0.1V$

2.4 带宽

$f_{p}=20kHz$

3 电路设计

根据设计目标，最终设计的电路结构和参数如下图：

注意事项：

偏置电压 (V ref ) 用于防止当输入电流为 0A 时输出在负电源轨上达到饱和
使用具有低偏置电流的 JFET 或 CMOS 输入运算放大器降低直流误差

4 设计计算

选择增益电阻器

$R_{1}=\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{I_{iMax}}=\frac{4.9V-0.1V}{2.4uA}=2M\Omega$

选择满足电路带宽要求的反馈电容器

$C_{1}\leqslant \frac{1}{2*\pi *R_{1}*C_{1}^2}=\frac{1}{2*\pi *2M*20kHz^2}=3.97pF\approx 3.3pF$

计算使电路保持稳定所必需的运算放大器增益带宽 (GBW)

$GBW> \frac{C_{1}+C_{i}}{2*\pi *R_{1}*C_{1}^2}=\frac{20pF+3.3pF}{2*\pi *2M*3.3pF^2}=170kHz$

$C_{i}=C_{j}+C_{d}+C_{cm}=11pF+5pF+4pF=20pF$

$C_{j}$ :光电二极管结电容

$C_{d}$ :放大器的差分输入电容

$C_{cm}$ :反相输入的共模输入电容

计算 0.1V 偏置电压的偏置网络

$R_{2} = \frac{V_{cc}-V_{ref}}{V_{ref}}*R_{3}=\frac{5V-0.1V}{0.1V}*R_{3}=49*R_{3}$

$R_{2}=13.7k\Omega$ ， $R_{3}=280\Omega$

选择 C2 为1µF，以便对Vref 电压进行滤波。产生的截止频率为：

$f_{p}=\frac{1}{2*\pi *C_{2}*(R_{2}||R_{3})}=\frac{1}{2*\pi *1uF*(13.7k||280)}=580Hz$

5 电路仿真

时域仿真：

频域仿真：

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