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电工技术基础 对面积大小不同的光电二极管如何设计低噪声放大器？
面向小面积和大面积光电二极管的低噪声放大器光电二极管可分为两类：具高电容( 30pF～3000pF)的大面积光电二极管和具相对较低电容（lOpF或更小）的较小面积光电二极管。为了获得最佳的信噪比性能，最常见的做法是采用一个跨阻抗放大器（由一个反相运算放大器和一个反馈电阻器组成）来把光电二极管电流转换成电压。在低噪声放大器设计中，大面积光电二极管放大器需要更力口关注的是降低运算放大器输入电压噪声，而小面积光电二极管放大器则需要把更多注意力放在降低运算放大器输入电流噪声和寄生电容上。
(1)小面积光电二极管放大器
小面积光电二极管具有非常低的电容，通常低于lOpF（有些甚至低于lpF）。它们的低电容使其成为比大面积光电二极管更接近于较高频的电流源。小面积光电二极管放大器设计所面临的挑战之一是维持低输入电容，这样电压噪声将不会成为问题，而且噪声将主要是电流噪声。 图4-106示出了一款采用LTC6244简单的小面积光电二极管放大器。放大器的输入电容由CDM（放大器的差模电容）和一个CDM（共模电容仅在放大器的反向输入）组成，或约为6pF的总电容。小型光电二极管具有1.8pF电容，因此放大器的输入电容在电容中居支配地位。小反馈电容器是一个实际组件（AVX Accu-F系列），但它也与运算放大器引线、电阻器和寄生电容相并联，所以实际的总反馈电容可能在0.4pF左右。这之所以重要，是因为反馈电容设定了电路的补偿，以及运算放大器增益带宽和电路带宽。该特殊设计具有一个350kHz带宽，在该带宽内所测得的输出噪声为120uVms。
(2)大面积光电二极管放大器
图4-107示出了一个简单的大面积光电二极管放大器。光电二极管的电容为3650pF(标称值为3000pF)，这对电路的噪声性能有着显著的影响。例如，在lOkHz频率条件下，光电二极管电容等同于一个4.36kQ的阻抗，因此采用IMΩ反馈电阻器的运算放大器电路在该频率下具有一个NG=I+1M/4.36k=230的噪声增益。于是，LTC6244的输入电压噪声到达输出端时成为NGx7.8nV/√Hz，从图4-108所示的电路输出噪声频谱中便可清楚地看出这一点。请注意，我们尚未把运算放大器电流噪声或增益电阻器的130nV/√Hz考虑在内，不过，与运算放大器电压噪声和噪声增益相比，这些显然是微不足道的。作为参考，该电路的DC输出失调约为IOOuv，带宽为52kHz，而总噪声是在一个lOOkHz的测量带宽和在1.7rriVrm。的条件下测量的。
图4-109示出了该电路的改良，其中，利用一个InV/√Hz JFET对大二极管电容进行了自举。该耗尽型JFET具有一个约-0.5V的VGS，因此，RBIAS强制它在刚刚超过ImA的漏电流条件下运作。按照图示进行连接，光电二极管具有一个VGS的反向偏压，因此其电容将比前一种情形略低（测量值为2640pF），但是，最剧烈的影响是由自举产生的。图4-110示出了该新电路的输出噪声。lOkHz频率条件下的噪声现在为220nV/√Hz，而1M反馈电阻器的130nV/√Hz热噪声层在低频条件下是可识别的。发生的情况是：运算放大器的7.8nV/Hz有效地被JFET的InV/√Hz所取代。这是因为1M反馈电阻器不再“回溯”至大光电-极管电容中，而是回溯至一个JFET栅电容、一个运算放大器输入电容和一些寄生电容中，总电容约为lOpF。低噪声JFET的栅至源极电压加在大光电二极管电容的两端。如前文所述，在lOkHz频率下进行计算后得出：光电二极管电容似乎是6kQ，因此JFET的1nV/Hz将产生一个InV/6k=167fA/√Hz的电流噪声。该电流噪声必需流过1M反馈电阻器，于是在输出端上表现为167nV/√Hz。增加电阻器130nV/√Hz（以RMS值）将得出一个2lOnV/√Hz的总计算噪声密度，与图4-110中所示的测量噪声十分吻合。另一个重大的改进是带宽（现在超过了350kHz），这是因为自举导致补偿反馈电容减小。请注意，自举并未影响放大器的DC准确度，只是使栅电流增加了几个皮安。
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