Photo-Diode 光電二極管，內部結構是由一個PN結組成的半導體器件。它和常用二極管一樣，有單向導通的特性。色彩測量、發射光譜儀、氣體探測器、渾濁度計等應用通常都是采用光電二極管來實現精密光學測量。

圖 2 光電二極管內部結構

圖 3 典型光電二極管傳遞函數特性圖

一、光電二極管的工作模式

光電二極管的基本原理是：通過吸收光能并照射到P-N結時將其轉換成電信號。常見有以下兩個工作模式：

光導模式（反向偏置）

光伏模式（零偏置）

圖 4 反向偏置

圖 5 零偏置

光導模式特點：

響應速度快

暗電流大

影響線性度

光伏模式特點：

暗電流小

影響線性度

二、 光電二極管常用信號鏈

圖 6 常用信號鏈原理

如上圖所示，常用信號鏈總共分四級：

第一級信號鏈：

I-V轉換，一般PGA都做在第一級，因為電阻的熱噪聲和電流噪聲會直接出現在輸出端，如果PGA做在后級，還會把前級的噪聲進行放大，總的噪聲會變大。

第二級信號鏈：

放大，根據客戶具體信號的需求，可以省略。

第三級信號鏈：

濾波器，可以配置成低通，帶通，高通，需要根據具體需求而定，位置可以調到第二級。

第四級信號鏈：

ADC采樣，根據具體需求選擇ADC的精度和種類。?? ?

三、 光電二極管同步檢測信號鏈

圖 7 同步檢測信號鏈原理

同步檢測方法，在信號鏈加入了隔直和模擬開關，從而使信號翻轉。最終輸出直流信號去AD采樣，這樣就可以降低ADC的動態特性要求，但是整體鏈路會復雜很多。具體如何選擇還是要看客戶需求。

四、 I-V 轉換放大器選型

I-V轉換在整個信號鏈中最為重要，選型是否合適會影響整個信號鏈性能的發揮。因為光電二極管輸出為電流信號，所以放大器應該選電流特性比較好的FET型。

需要關注的指標如下：

失調電流

偏置電流

失調電壓

帶寬和壓擺率

噪聲和溫漂

每個指標的選擇要根據客戶實際應用。

比如：本系統光電二極管輸出電流范圍在1nA~1uA，系統精度要達到1%，那我們電路選型指標基本要達到千分之一水平，這樣各級誤差累計再加上其他誤差，整個系統精度才能比較保險的達到1%水平。光電二極管最小輸出1nA，那么失調電流，偏置電流基本要能達到1nA/1000=1pA。失調電壓要根據光電二極管偏置電壓要求來選，一般都能滿足要求。帶寬和壓擺率要根據信號的帶寬來選擇。噪聲和溫漂越小越好，但是價格也會比較高。

五、器件選型中間級運放和ADC?

中間級運放

信號已經經過前級放大，已經有了較好的信噪比，中間級的運放要求不是很高，選型時注意供電范圍，帶寬壓擺率，輸入輸出范圍，一般問題都不是很大，這里就不做具體型號推薦列舉說明。

ADC

ADC的選擇有很多，一般情況下16bit的SAR型ADC就夠用。如果客戶系統精度要求很高，但是對信號頻率不高，可以選用高bit的∑-△型。選型應該注意考慮采樣速度，供電范圍，輸入范圍，增益誤差，INL，DNL等。

本文來源8號線攻城獅

審核編輯：湯梓紅