精密的單電源光檢測電路設計方案
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（6）
此時(shí)系統的相位容限將為65° ,而階躍函數的過(guò)沖是5%。用式（6）,CF的值將為
這種保守的方法會(huì )輕微增加系統噪聲。上述兩種結果均可用模擬程序#7～#10分別對表1中的MCP601和OPAMP#2進(jìn)行模擬。
4 噪聲分析及其減小
系統的噪聲性能是通過(guò)計算或模擬而推導出來(lái)的,它涉及到頻率響應中五個(gè)區域的噪聲和反饋電阻噪聲。這五個(gè)區域如圖8所示。圖8中將整個(gè)響應分成五個(gè)區域便可容易地計算出噪聲電壓。每個(gè)區域內的總噪聲等于系統增益（1/b ）乘以放大器噪聲的均方根值。RF的噪聲不乘系統增益。
該系統的噪聲電壓完整計算如下
 | （7） |
式中e2N是指定頻率范圍內的平方累積噪聲,（N=1,2,……5）。 盡管這些計算看來(lái)較冗長(cháng),但還是相當有指導意義的。計算結果將得出總的系統噪聲并指出有問(wèn)題的區域。 系統噪聲的累積均方根值也可用SPICE模擬。其X軸為頻率（Hz）,Y 軸是從直流到指定頻率的累積噪聲電壓（V）。 一個(gè)SPICE噪聲模擬需要一個(gè)獨立的交流電壓源或電流源。此時(shí)電路的輸出噪聲（RTO）可被模擬。在這個(gè)模擬中,X軸為頻率（Hz）,Y軸為噪聲的累積均方根值VRMS。在運行模擬程序之前,應確保已經(jīng)鍵入了用戶(hù)想采用的反饋電容值。 |
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圖8 系統噪聲采用MCP601放大器模擬系統的累積噪聲,結果顯示噪聲主要發(fā)生在較高的頻率處。增加CF的值或減少RF的值可容易地降低整個(gè)系統的噪聲。
另一個(gè)降低噪聲的方法是減小放大器的帶寬。這可從模擬“運放#2”中觀(guān)察到。在運行模擬程序之前,要保證已鍵入了用戶(hù)想采用的反饋電容值。
采用“運放#2”模擬系統的累積噪聲顯示了所希望的結果,但是,光電二極管輸入信號的帶寬卻由于放大器的帶寬限制而大大減小。在某些應用領(lǐng)域,這可能是不可折衷的。為了降低噪聲,這個(gè)電路輸出端可減小的其它參數是光電二極管的寄生電容CPD和運放的輸入電容CCM和CDIFF。
在光電二極管前置放大器電路中,允許的最大噪聲是多少？作為一種參考,工作在5V輸入范圍的12位系統具有相當于1.22mV的LSB。而同樣輸入電壓范圍的16位系統的LSB則為76.29m V。
5 結論
本文特別關(guān)注了與標準光檢測電路有關(guān)的穩定性和噪聲問(wèn)題。電路工作原理為如何較好地解決設計問(wèn)題提供了思路。而模擬則用于驗證理論,它說(shuō)明如何才能設計出一個(gè)低噪聲又充分穩定的電路方案。設計中的可變參數是光電二極管、運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò )。選擇光電二極管主要是因為其良好的光響應特性。但是,它的寄生電容會(huì )對噪聲增益和電路的穩定性產(chǎn)生影響。選擇運放是由于其小的輸入偏置電流和帶寬。此外,放大器產(chǎn)生的噪聲也是一個(gè)重要的指標。最后,反饋網(wǎng)絡(luò )也影響系統的信號帶寬和噪聲幅度。
一旦理論和模擬相互吻合,設計過(guò)程中最后且最重要的一步就是制作實(shí)驗模擬板。
需要說(shuō)明的是：本文提供了用SPICE軟件模擬實(shí)例電路12種相關(guān)的性能,它們分別可模擬光電二極管的傳輸函數,二極管上升時(shí)間;運放的噪聲、運放的方波響應;光檢測電路系統的頻率響應和階躍響應;系統的積累噪聲等(略)。讀者可通過(guò)網(wǎng)址http: //onlinetools.chipcenter.com/netsim/ photo-diode/pd_article.html上相應的模擬程序進(jìn)行模擬。
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