跨阻放大器设计参考.光电管参数

跨阻放大器设计参考.光电管参数

今天开启一个新篇章，跨阻放大器，是精密信号链的一大类。

我看的是这个书：

感觉蛮系统的

作用是把入射光辐射转成电流输出，这里最多的就是日本的滨松了：

通过释放和加速半导体中的导电载流子，光能量转变为电信号。

光电二极管和普通二极管基本一样，不同之处在于接收光来产生内部电流。

• PI光电二极管P区和区之间形成的本征层扩大了光谱响应范围。
• 雪崩光电二极管内部电流增益的雪崩倍增效应提高了光谱效率。

无论哪种情况，光生电流的大小都与入射光的强度相对应。

PI管子的样子

这个是大受光面硅 PI 光电二极管

还有一种是雪崩管：APD 是通过施加反向电压产生的具有内部增益的光电二极管。较之于 PI 光电二极管，它们具有更高的信噪比 (SR)、快速响应、低暗电流和高灵敏度的特点。光谱响应范围通常在 200 至 1150 nm 范围内。

弱光探测

阵列

这种是封装了IC，TOF

VL5L0X激光测距传感器.介绍篇 20年居然还写过：

原理就是雪崩管

VL5L0X集成了领先的SPAD阵列（单光子雪崩二极管），并内嵌意法半导体第二代FlightSense™专利技术。

这种都是非常微弱的信号，所以也直接会给出模块：

这样的

真漂亮呀

光电二极管是反向工作的。

光电流：在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的（反向）电流。光电二极管的光电流一般为几十微安，并与入射光强度成正比，该值越大越好。

暗电流：在一定反向电压下，无光照时流过管子的（反向）电流，该值越小越好。

在模拟电路里面我们其实就学了不多的原件，电阻，电容，二极管（因为人类首次可以控制了电流的方向）：

这个就是等效模型

一种模型就是这样的等效模型，还有一种是按照物理规律写出来的物理模型，但是一般因素太多，写的不准确。

简化成了，一个理想的二极管，一个和入射辐射强度成比例的电流源，一个电阻（分流，结，漏）和一个电容（结，分流）相关联。

分流电阻是反向情况下测量的，这个反向电压是10mV，一般认为理想值是无穷大，但是在M和G级别，已经非常大了。这么大不影响电路，一般我们就不考虑了。

我们看一个管子

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可以看到越高越小，我其实不知道平时正常温度是多少

这个电容的来源有很多，比如封装有寄生的，一般都加起和称为终端电容。同样封装的时候有引线和接触点，引入的电阻叫串联电阻，但是一般很小，电路分析里面不考虑。

这个分流电阻和结电容是最需要关注的参数。

还有光谱响应，是给不同波长的响应特性，有量子效率和响应度两个指标。

量子效率就是一个无量纲的比值，描述光电的转换能力.

真不好啊。。。

超低暗电流的红外光电二极管

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量子效率

雪崩管的内部有增益，输出的电流可以倍增放大，但是计算量子效率的时候，就算初级的光电流，不算倍增系数。

这个时候明显是最高的

接下来是响应度，描述这个输出的电流和入射辐射功率之间的关系，和波长相关。随着波长增加，响应度也变大，达到峰值以后就开始下降。

看这一款

两个部分

参数

雪崩管具有内部增益，输出电流有着倍增的方法，需要看测试条件：

看这个

个别是100倍和50倍

也可以看看量子效率

量子效率是微观角度的描述，响应度是宏观的。响应度最大值的波长称为峰值灵敏度波长。

还是上面两个概念，看一个不一样的参数表示：

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因为都是对波长的响应，所以可以绘制在一起

光子能量是入射光功率在照射时间内所有的能量总和，在百分之百的响应是一条直线，所以这样的拟合一下可以看到原点是被左移动的。

InGaAs这种的材料的额响应波长在900-1700nm

波长越短，频率越高，理论上光谱响应波长没有下限，但是入射波长较短的时候，材料表面的反射会造成入射能量的反射，在P结耗尽层里面的传播还会被吸收，因此在波长较短的取悦，响应数值会迅速降低。

基本上是符合的，Si材料的更明显

这个是温度响应曲线，波长低于1800nm时，影响小，往后就大了。

这个也是响应度温度特性曲线

如果非常的精密，会加恒温电路。

线性度是电流和入射辐射功率保持的程度和范围。

看这个

由于在很大的范围内都保持良好的线性度，所以使用了双对数坐标

看这个

入射光的功率

它的工作模式主要分为两种：零偏模式和反偏模式。

简单的分类

零偏模式（光伏模式）

工作原理：当光照射到P结上时，P结内部产生光生载流子，形成一个开路电压。此时，无需外加电压，光电二极管本身就能产生电动势。

运算放大器的非反相输入端接地，虚短，反相输入端将始终处于大约 0 V。因此，光电二极管的阴极和阳极都保持在 0 V。

无需外加电源，结构简单。

响应速度慢：由于没有外加电压，载流子复合时间较长，响应速度较慢。

输出电压低：输出电压通常较低，一般为几百毫伏。

应用：太阳能电池、光传感器等。

反偏模式（光导模式）

工作原理：在P结上施加一个反向偏压，扩大耗尽层，增加光生载流子分离的概率，从而提高光电流。

将光电二极管的阳极连接到负电压电源而不是接地。

阴极仍为 0 V，但阳极处于低于 0 V 的某个电压；因此，光电二极管是反向偏置的。

由于有外加反向电压，载流子可以迅速被分离，响应速度快。相比于零偏模式，输出电流更大。

线性度好：输出电流与入射光强度呈线性关系。可以用做：光电探测器、光纤通信等。

这个东西怎么复杂，肯定还有更加复杂的说法。

对P结施加反向偏置电压会导致耗尽区变宽。

就是这样

在光电二极管应用中有两个有益效果。

首先，更宽的耗尽区使光电二极管更加敏感，当想要产生相对于照度更多的输出信号时，光电导模式合适。

事实上，电压和电荷之间有线性关系就是电容，有电容就和频率有关系

更宽的耗尽区会降低光电二极管的结电容。

在上面的电路中，反馈电阻和结电容（以及其他电容源）的存在限制了系统的闭环带宽。与基本 RC 低通滤波器一样，降低电容会增加截止频率。因此，光电导模式允许更宽的带宽，需要最大限度地提高探测器对照度快速变化的响应能力时，光电导模式是首选。

最后，反向偏压还扩展了光电二极管的线性操作范围。如果要在高照度下保持精确的测量，则可以使用光电导模式，然后根据系统要求选择反向偏压电压。

但是，更多的反向偏压也会增加暗电流。

以上可能太抽象了，现在说点比喻的。

想象一个水库

• 水库：代表光电二极管。
• 水：代表光子（光粒子）。
• 水位：代表产生的电势。

零偏模式（光伏模式）

我们建了一个水库，不做任何处理，让雨水自然流入。当下雨时（光照射），水会慢慢蓄起来，水位升高（产生电压）。

特点：简单，不需要额外能量，但出水量（电流）小，响应速度慢。

反偏模式

我们在水库底部安装一个抽水机，不断抽水。当下雨时，雨水流入水库，同时抽水机也在抽水。如果雨下得比抽水快，水位就会上升。

特点：响应速度快，出水量大，但需要消耗能量。

零偏模式就像一个自然形成的小水塘，靠天吃饭。

反偏模式就像一个有抽水机的水库，可以主动控制水位。

选择哪种模式？

如果想省电，对响应速度要求不高，可以选择零偏模式。

如果需要快速响应，对灵敏度要求高，可以选择反偏模式。

打个比方

太阳能电池：利用太阳光产生电能，一般采用零偏模式。

光纤通信中的光接收器：需要快速响应光信号，一般采用反偏模式。

简单来说：

零偏模式：被动等待光照产生电信号。

反偏模式：主动抽取光生电流。

给一个二极管两边加反向的偏置电压（反偏，偏置），没光照的情况下给个电压，会有一个微小的反向电流流过P结，一定范围内，这个电流不随外置的电压变化，称为反向饱和电流。

但是一直加大，突然这个电流极速增大，这个时候的电压叫反向击穿，击穿了势垒。

这个就是我们的老朋友，2uA

这个的

再看看APD

会大很多，120V-80V

雪崩管只能反偏模式下工作。

然后看看这个雪崩，温度是很能影响的：

看倍增，反偏电压

在反向模式下，没有光，也有个小电流，称为暗电流。pA或者nA级别的：

看这个管子

反偏10V

暗电流随反偏电压变化的曲线，反偏越高，P结里面的电场越强，载流子更容易变成电流，暗电流越大。温度越高，电流越大。

ADP管子的暗电流有两部分，表面漏电流，本体暗电流。表面的漏电流和倍增没关系，而且温度对这个ADP的漏电很敏感。