[求助]光电二极管的放大电路

lzldnn · 发表于 2006-5-20 02:16:00

最近在搭一个光电二极管的检测电路，在做之前，查了一些资料，做了一个设计，决定用两级放大来实现。由于我不是学模电的，在电路电子方面的知识只懂些皮毛，查资料就花了相当长的时间。我最后采用的是一个很常规的做法，前级用偏流小的运放做电流转电压，次级用低噪声运放做正相电压放大。前级的运放我开始选择了BB（现在已经并到TI了吧？）的OPA128，不过我在力源一问，600多一片，吓晕了。还好又查了查，发现偏流在亚pA级的运放还有很多，BB公司自己的就有OPA111，OPA129等，而且OPA129U是可以买到的，还可以申请到free sample，就决定用它来了。次级放大用了OP07/OP77，这个也不贵。整个电路的电容选用的是漏电小的钽电容和聚苯电容，用双15V开关电源供电，采用了单点接地，地就是开关电源的公共地，而且前级为了避免干扰电流窜入输入级还按照OPA129的说明进行了shield保护。光电二极管（我用的是圆窗的2CU)接到BNC母头上之后用铜套封住，给进光面留有小孔，然后通过同轴线缆接到放大电路中。原理图见附件。

当时原理图出来之后觉得这个应该没有什么太大的问题，好像UDT sensors推荐的放大电路就是这样的，我没有做过多的试验就去开了PCB，然后买回元件一一焊上。结果非常令人失望，前级输出总是一个-15V左右的电压，不管光电二极管对的光源角度如何，输出不变，哪怕把PD取下来之后，前级还是输出一个-15V的电压。我思考了半天，总找不到原因，最后无奈，把电路中的其他元件都卸下，前级和次级断开，只留了OPA129U、反馈电阻和平衡电阻。发现还是照旧输出一个15V的电压。我把反馈电阻和平衡电阻同时换成了1M之后，输出变小了，可还是有+2V－3V，同样与PD无关。等我把反馈电阻和平衡电阻换成10M之后，这个时候好像是好了，随着光照的变化或者说PD进光角度的变化，OPA129U给出一个变化的负电压输出（因为我把PD接反了），无光照时是几十个mV的输出，有光照时随着光照的强弱输出可以在-15v的范围内。惊喜之余还是考虑了一下，处于整个输出的考虑，我希望最后能从次级出来时候的电压是1V左右，因为我们后面要用到的锁相放大器输入要求是1.5V，我想反馈电阻还是小一点，回头换上1M的电阻试了试，发现如果给OPA129U进行Vos调整，整个运放电路就正常了，我采用了OPA129的datasheet(http://www.icbase.com/pdf/BBR/BBR03170106.pdf ,见第六页)提供的电路，只是把其中220欧的接地电阻换成了我电路中的平衡电阻（这里是1M）。发现这个现象之后我很纳闷，明明这个块子Vos和Ib都很小，分别在100uV和100fA左右（最大），而且datasheet里面也说，“Due to its laser-trimmed input stage, most applications do not require external offset voltage trimming”，我查了一下运放的书，也看到书中说在这种Ib小的情况下，给3脚接个平衡电阻就可以了，不需要做零点调整。怎么会这样呢？烦请高手们指点一二。
因为加了零点调整之后正常了，我继续做次级的试验，因为上次没有做什么实验直接去开了PCB没有成功，我这次想先在试验板上模拟一下再说，结果发现OP07也遇到了调0的问题，实在郁闷得要死！没有输入的情况下，OP77的6脚就始终有个电压输出，还颇大，有时能有10V以上甚至14点几V，况且，这个输出还在不断变化当中，一点都不稳。Analog Devices给出的OP07零点调节的方法不一样，我按照其datasheet（http://fy.chalmers.se/~delsing/SensorerBrus/Lab2/op07.pdf，op07；http://www.indiana.edu/~gmhlab/c501/OP77_b.pdf，OP77）里面提供的方法进行零点调整，发现根本就无法调到零点，20K的电位器，我只要拧那么一点点小的角度，6脚输出就可能从+十几V跳到-十几V，好不容易仔细的调到了0附近，可还是处于一个剧烈波动状态，哪怕我只是搭了个OP77的调零电路，其2，3脚分别接一个11k的电阻后接到公共地，结果还是一样，换了OP77之后，也不行。再次纳闷，看到的网上的帖子和官方的资料，还有运放的书，象OP07，多半是说不需要调零，它的Vos也是很小的，只有10－25个uV。
请各位高手说说看，这是为什么？莫非运放在我焊接的过程中被烧掉了？换了好几个，都一样啊。我这个电路，有什么好的建议吗？是否是运放选择的问题？OP07/OP77可以有什么别的替代品吗？

tomy · 发表于 2006-5-20 09:16:00

放大电路选型错误！

1、从电路上看，信号源输出的是电压信号，为此只能采用电压放大器；

2、例如，在第一个运放与光电管之间可以串入一个电阻，由反向端电阻与串入的电阻确定放大系数；

3、如果不是采用场效应管输入级的运放，则3M的反馈电阻太大。以1M以下为好。

4、考虑到放大器输入级平衡，需要匹配运放的同相和反相端的电阻；

5、如上所述，作为例子，第一级运放器件连接如下（反向电压放大器）：

（1）、反馈电阻采用1M；

（2）、反向端与光电管之间串入100K电阻；

（3）、同相端接地采用1M和100K电阻并联；

此时，运放的电压放大倍数约10倍。输入为正电压话，输出则为放大后的负电压。

例如光电管输出+1V电压，则运放输出为-10V。

6、你设计的后级运放属于同相电压放大器，所用器件导致电压放大倍数理论为12倍。

在电源电压+/-15V条件下，运放最大输出电压范围在电源电压范围内。为此必须在实验中

测定第一级运放输出电压与第二级电路放大倍数下，是否会超出电源电压。

7、如果是小信号放大电路，最好不要使用开关稳压电源和并联模拟电源。他们的电源特性不符合要求。

甚至还要考虑采用正负电源同步锁定，使电压、开机时电压同步上升等措施。

实验数据和实验方法十分重要，勤快与动脑筋相结合。你会成功的！

lzldnn · 发表于 2006-5-21 05:31:00

谢谢你的回复!

这个放大电路基本上就是参考BB公司的Application notes 来的, 而且从我掌握的资料和知识看,这个电路从原理上是可行的.

我认为:

1) 在反相输入端串一个电阻不恰当, 这个时候运放的作用只是放大,而电流转电压在不在意线性的条件下只要串电阻而不需要运放的参与. 但这个时候,光电二极管两侧的电压反馈总在变,也就是说,影响了光电二极管的工作状态,也就影响了测光的线性,从我看到的各种电路来说,基本上没有这样做的

2)反馈电阻的问题,我也觉得3M不合适,但从普遍的情况看,用于我这个实验的类似场合通常是用1M的反馈电阻, 而从BB的Application notes中看,OPA111,OPA128,OPA129用的反馈电阻都是在10的9次方到10的11次方级,用于实现微弱电流放大,配合UDT sensors, 滨松或者HP的光电二极管可以实现5*10^9V/W左右的光电转换, 而从噪声的考虑,电阻热噪声是跟根号的R成正比的,而前级电压输出是等于光电流乘上R,整个系统的信噪比呢,也是跟根号R成正比, 也就是说,R越大信噪比反而越高, BB的Application notes 里面也是这么推荐的. 当然,实际上象那么大的电阻很难买到. 即使用了这么大的电阻,不是太弱的光场合, 也没有必要, 运放自身的线性也要考虑, 也许BB 是对自己的东西的性能很有信心吧

3)运放的输入平衡我已经考虑了, 我的电路中就是这么做的,每次我更换反馈电阻,都换了同样大小的平衡电阻在同相端,但我现在的问题是, 我发现如果使用10M以下的反馈电阻,OPA129这个运放需要调零,也就是需要给同相端一个电压偏置, 我实测的大概是-0.6V(相对于公共地)左右,这令我感到很困惑,照例这个应用是不需要考虑Offset voltage的问题的, 如果真要考虑, 太不利于后期的制作和实验了. 难道Offset voltage 的问题这么重要么?不是一般都不需要考虑的么? 运放的Datasheet里面都明确提到了,大多数情况下不需要管这个的啊

4) 我估计需要测定的光强大概是0.0003mW, 我希望最终输出在1V左右,也就是说,我只要用1M的反馈电阻是可以满足的

5) 电源的问题,我也发现了, 开始发现输出有问题的时候就怀疑到电源正负端不平衡了, 采用电位器做了粗糙的调整后, 发现问题照旧,后来才确认是偏压的问题, 那你觉得应该使用什么电源? 我看别人用开关电源做同样的工作没有什么大碍啊.

谢谢你的鼓励,但最近的实验实在太令我灰心了, 本来应该不是很难的事情, 确遇到这么大的麻烦, 可能是我理论知识和实践机会匮乏, 焊接水平和设计水平也差,总之可能出现问题的地方太多,都不知道什么地方出了问题

我现在也怀疑是不是我的运放都坏了,OP07,OP77我试了好几块,OPA129U我试了两块,都没什么太大差别,难道我在焊接过程中不太注意静电保护给击穿了,有什么办法可以测试吗?

lzldnn · 发表于 2006-5-22 00:16:00

今天我又做了一下试验，把OP07换成了LF356，还是一样的，输入为零的时候6脚有一个恒定的输出，只是略小于供电电压。

电源试了开关电源和电池，结果一样。由于我是把八脚IC座焊在实验板上，然后把运放插在IC座上的，我把运放拔下来后，用万用表测了一下各脚电压（这个时候的电源还是处于供电状态），用于调零的两个脚有一个几十mV的电压，问题在这里吗？怎么会有这么个电压存在呢？

BC107 · 发表于 2006-5-22 20:31:00

我看不清楚你的电路

一级放大应该是个很简单的 I/V转化电路，比较简单，采用负反馈

看你说的样子，给我的感觉如果你没有焊接错误的话，应该是信号饱和了，但是还有一个问题让我奇怪就是

一般情况下运放如果不是RAIL TO RAIL的即使饱和也达不到供电电压。你却出现了供电电压一致的情况

怀疑你的电路焊接有问题，取下 PD以后，没有电流产生，负反馈通的话，输出端的V=IB*RF，你的这个IB应该非常小才对，所以绝对不会如此的

总结一下：

1. 再看一下原理，是否是负反馈电路

2. 查看一下负反馈是否通，有没有断开，如果断了，就成了比较器了，会出现你的情况

3. IB是不是太大了，证明的方法可以换一个比较小的RF调试，最好用示波器看，如果IB太大，就是元器件坏了

只能提供这么多，看不到你的原理图

lzldnn · 发表于 2006-5-22 21:39:00

电路图显示不对估计是图片尺寸太大了，我把图片打包之后传上来，解压下来就可以看清楚了

确实OPA129不是Rai to Rail的运放，从Datasheet里面看，好像最大的饱和输出也就是13V的样子（不是太懂，也许是这个大小）

我的OPA129是SO-8贴片封装的，直接焊在PCB的焊盘上，我检查了电路，应该没有焊接错误

今天早上又试了一下，OP07的问题是我在调零的时候2，6脚是开路，没有接RF，接上一个电阻之后就好了，其实确实不需要调0，输出在万用表上就是0

而OPA129呢，还是老样子，RF＝10M，平衡电阻＝10M的时候，输出正常，如果不接平衡电阻或者RF换成1M，零输入的时候，6脚输出就是－15V的，但是这个电压可以通过给3脚一个偏压之后调到0的，确实比较奇怪。

lzldnn · 发表于 2006-5-22 21:39:00

lMIRQHTz.rar (45.78 KB, 下载次数: 128)

lymex · 发表于 2006-5-24 07:21:00

首先，除非非常特别，否则一级就够。

如果把PD开路，输出还是-15V，那么，要么是接错了，要么是IC等元件坏了，也有可能是管脚短路之类的。总是，属于低级错误，没什么奇怪的，再仔仔细细检查一下。

第三，2CU的管子不好，最好换一种窗口是平的，不要窗口有透镜的那种。

第四，这个属于电流/电压转换型，由于光输入不是很弱，只需要很便宜的LF442或者LF412就可以。

最后，那个R2和C2没有必要，完全可以短路。

lzldnn · 发表于 2006-5-24 17:49:00

一级就够了吗？我看到的多数人的考虑不是第一级放大倍数太大效果不好么？

前面说的满幅输出的问题，由于是SO-8的，比较难做实验。我只焊了两片，我已经发现有一个OPA129出了问题，不论用多大的反馈电阻他都是输出－15V；而另外一片现在是这样的情况，我换上510k的反馈电阻，3脚还是接平衡电阻，也是510k，PD开路的时候输出为零，接上PD和同轴线之后，无光照时,OPA129U 6脚有2.48V输出,量了一下2脚和三脚的电压,分别是-0.13V和0.05V; 换了一根短一点的线之后,无光照,6脚输出3.23V, 2脚,3脚电压分别是-0.40V和零点几个mV,
可以通过Datasheet里面给的电路,调节电位器,可以让6脚输出为接近0mV,这个时候2脚3脚的电压分别是-0.49V和-0.39V.

这个时候用示波器看6脚的输出，可以看到一个17kHz的类似方波的波形，还暂时搞不清楚这个交流干扰哪里来的

R2和C2没有必要吗？我试过，如果用10M反馈电阻的时候，没有R2，输出也不为零，但只要把10M的R2加上之后，输出就接近0了，不需要进行额外调0

我现在郁闷的是，不是说laser trimmed吗，怎么还需要调0呢，莫非在小反馈电阻的条件下，PD和同轴线显示出来的一个等效阻抗使得2，3脚到地的阻抗不能平衡？

我手上只有2CU和44所的GT－101，感觉光电二极管这个东西好难买到，GT－101是平窗的，150一个，还没舍得试，2CU因为是以前留下来的，就拿它先做实验了。lymex能告诉一下哪里能买到好的光电二极管吗? 滨松的有很多性能和美金价都不错，可买一批得加1k的手续费，实在不划算的说。

电源方面，除了开关电源外还有什么好的推荐吗？电池？用起来so不方便啊

lzldnn · 发表于 2006-5-24 18:11:00

[B]以下是引用[I]lzldnn[/I]在2006-5-22 13:39:00的发言：[/B][BR]br/

哦对了，你所说的平窗的要好些是不是因为它对光的角度不是太敏感，圆窗的的确对角度很敏感，只要角度稍稍偏一点就会导致很大的响应变化，但是前面有个透镜，起光收集的作用很好啊

lymex · 发表于 2006-5-24 19:13:00

一级就够了。两级效果才不好呢，这个东西不是放大，是I/V转换。

这个东西不用调0，如果输出不为0是存在问题。

如果PD不接就不为0，就是简单的错误。如果接上PD同时无光但输出不为0，就是PD坏了。

电源别用开关的，容易干扰，那17kHz应该就是如此。电源可以用小变压器两个，接两个稳压块。另外，为什么电压选那么高？我一般选正伏5V就很好。

我买的PD比较杂，但往往便宜的就很好用，我是特别讨厌自带透镜的。

lzldnn · 发表于 2006-5-24 22:06:00

明白了，我准备就用一级了，算了一下，如果还是一级放大的话，我测到的最大光强是3×10-7 W

一般光电二极管在这个地方的转换率是0.3-0.4A/W，如果我选5M－10M的反馈电阻正合适

你所说的为零的标准是不是也就是用数字万用表的直流档测一下呢？

我用示波器看了一下波形，刚好是+-1.5V的，探头用的×10衰减，可能就是开关电源带来的17kHz干扰了

我用两个9V电池试了一下，就没有这个干扰了

PD这么容易坏掉么？我现在就是接上PD同时无光但输出不为零，但可以通过对OPA129u的三脚调整一个电压使输出变成零，然后PD经过光照是有响应的，而且响应灵敏，这能说明PD坏了吗？我准备用GT101试试看

我看过你写的那个一些光电二极管实测的帖子，好像你没提到都是些什么型号，能推荐一些买光电二极管的地方吗？哪些型号又是比较好用的？普通的电子市场根本买不到这些东西呢

[求助]光电二极管的放大电路

忘了传图了

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