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光敏电路:电子产品世界无处不在的眼睛

导读: 在硅芯片电子时代开始之初,硅芯片光电传感器就被广泛用于电子电路。实际上,由于科学家们昼夜不停地研究,他们在实验室中很快便发现了硅芯片的光敏特性。直到今天,IC 设计人员还常常将其测试晶圆覆盖起来,以避免受到外来光线的影响。

  在硅芯片电子时代开始之初,硅芯片光电传感器就被广泛用于电子电路。实际上,由于科学家们昼夜不停地研究,他们在实验室中很快便发现了硅芯片的光敏特性。直到今天,IC 设计人员还常常将其测试晶圆覆盖起来,以避免受到外来光线的影响。尽管硅芯片的光敏性是一种令人讨厌的附带产物,但设计人员还是在各种系统中对这种光电能量转转加以利用。因此,大量应用中都使用硅芯片来感应光线的强度和特性。

  这些系统中,硅芯片传感器将光转换为电荷或电流。这些硅芯片传感器就是电子产品世界的“眼睛”,用户可将其用于血液分析、无创肿瘤检测、烟雾探测、设备定位或色谱分析等应用。基本上来说,系统设计人员都知道如何将光转换为电流,而真正的挑战在于确定如何将光电传感器的低电平电流转换为有用的电气表现形式。这些应用中不断提高的要求精度,进一步增加了设计的难度。

  传统的跨阻放大器设计拓扑使用一种混合方法来捕获该低电平信号,这种方法首先在反馈环路中使用一个放大器和一个高值电阻器。该电路设计利用电阻来提供对光源的实时、线性表述。该电路将光电二极管放置于放大器反相输入和运算放大器接地。100 kΩ 到 10 MΩ 的电阻器将放大器反相输入连接至输出。然后,您再将非反相输入连接至接地(请参见图 1)。光电传感器上的光刺激会生成电荷。该电荷唯一的溢出路径是通过放大器反馈环路中的高值电阻器。

  

  图 1

  图 1 所示简单方法并非不存在设计挑战。运算放大器必须要具有相对的低微微安输入偏置电流和低输入电容。适用于本电路的放大器要具有一个 FET 或带有低压噪声和微伏偏移规范的 CMOS 输入级。最后,设计人员还要对稳定性、带宽、低噪声性能以及跨阻放大器电路的布局进行优化。

  最终设计方法并非总是如想象的那样简单。我们需要考虑光电传感器、运算放大器、放大器反馈元件以及这些部件的寄生效应,这样一来公式就变得纷繁复杂,乱如一个老鼠窝。跨阻放大器之后的信号要求一个多极点模拟滤波器。这样,组合输入和滤波级便可将相关信号从噪声底限中分离出来。利用采样 ADC 数字化模拟滤波器之后的信号。

  光敏电路已历经数年的变革。第一种方法为纯模拟,其使用跨阻放大器和一个紧挨其后的低通滤波器。由于一流跨阻放大器的使用,开关积分器受到了人们的广泛青睐。开关积分器是信号源走向电路部分数字化的第一步。光敏应用产品的发展已经转向全面集成系统,例如:带电的数字化 ADC。

  作者简介

  Bonnie Baker 现任德州仪器 (TI) 高级应用工程师,并撰写了《A Baker’s Dozen:针对数字设计人员的真正的模拟解决方案》。

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