專利名稱：一種光電二極管放大器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電探測放大器技術領域，特別涉及使用運算放大器的大光敏面積光電 二極管的高速低噪聲放大器。
背景技術：
《美國電氣和電子工程師協會傳感器期刊》(/力^^^e/wors /o"r朋/) 2005年4月第 5巻第2號第281頁到第288頁上的論文《針對光學斷層攝影術的高性能光電二極管接收 器的i殳計》("Design of high—performance photodiode receivers for optical tomography"),比較性地使用了各種不同的運算放大器來搭建電路，但無論采用傳統光 電二極管放大器還是差分放大器結構，其3^^帶寬理論值都沒有超過760i^z,輸出噪聲
頻語密度理論值也不低于1.2/zK/V^ 。
美國德州儀器公司2006年發布的編號為SBOS251D關于其產品高速運算放大器 OPA847的產品數據表中的應用筆記指出，若將該產品用于傳統電路結構的光電二極管放 大器中，可使放大器帶寬理論上超過10必fe。但是其電路設計存在兩個問題 一、使用的 光電二極管其寄生電容必須小于50/7尸，由于光電二極管寄生電容隨著其光敏面積的減小 而減小，因而該放大器只適用于小光敏面積的光電二極管；二、文中的放大器電路要求 對其中的反饋電容值進行O. 1 p尸量級的精細調節，方能使帶寬達到預期值，這在分立元 件構成的印刷電路板上很難實現。
美國光學協會的《光學與光子學新聞》(^"'"《/^Wo/n'" 7fep^， 2001年4月) 中的論文"光電二極管的前端"("Photodiode front ends")中的設計，雖然使用了自 舉技術對傳統光電二極管放大器電路進行了改進，但該自舉技術是通過三極管、電阻等 分立元件來實現的，且其帶寬沒有超過l#yfe。
《美國電氣和電子工程師協會固態電路期刊》(/^5"A /owr朋/ of 5W/"-iYa " Circw/") 2007年9月第42巻第9號第1851頁到第1864頁上的論文"一種使用光電二 極管寄生電容自舉抑制技術和垂直門限調整技術實現的增益54必Q + 42必速度10G6 / 的鍺化硅互阻限幅》欠大器"("A 54dBQ + 42dB 10Gb/s SiGe trans impedance-1 imi t ing amplifier using bootsrap photodiode capacitance neutralization and vertical threshold adjustment"),雖然使用了自舉技術達到很高帶寬，但該放大器存在兩個問 題1、針對的是數字通信而非精密模擬應用，噪聲高，全頻帶上等效輸出噪聲不小于
200mF/V^; 2、由于該放大器是集成芯片，使用數量小的時候造價高，不便實現，且
參數固定無法調節。
發明內容
本發明提出一種光電二極管放大器，以克服以往技術中大光敏面積、低噪聲和高速 三個指標難以同時提高的缺點，達到放大器性能高、自舉技術實現簡單、能自動調節反饋電容和對于不同光電二極管能夠自適應的要求。
本發明光電二極管放大器，將增益帶寬乘積在1. 6C^Z以上的第一運算放大器a的正 輸入端接地，負輸入端連結到增益電阻b —端，該增益電阻b是一個阻值為10 - 130A;Q的 貼片式金屬薄膜電阻，第一運算放大器a的輸出端e與增益電阻b的另一端連結，將寄 生電容在50;7尸-5/ 尸的光電二極管c的負極與第一運算放大器a的正輸入^相連，并將 光電二極管c的正負極分別連結到電壓增益為1的自舉緩沖器的輸入端與輸出端上；其 特征在于所述自舉緩沖器由工作在電壓跟隨器模式一 _即負輸入端與輸出相連結的增 益帶寬乘積在45#yfe以上的第二運算放大器d構成，該第二運算放大器d的負輸入端構 成所述自舉緩沖器的輸入端，第二運算放大器d的輸出端構成所述自舉緩沖器的輸出端。
使用時，如果有光信號進入光電二極管c,光電二極管c內部就會將光信號轉換成光
電流。光電流流過增益電阻b之后，在第一運算放大器a輸出端e形成電位，光信號就
轉變成了電壓信號，然后從第一運算放大器a的輸出端e也就是本發明光電二極管放大
器的總輸出端傳遞到下一級。下一級可以是電壓放大器、鎖相放大器、數模轉換器等裝
置。由于光電二極管正負極始終連結著由 一顆工作在負反饋狀態下即電壓跟隨器模式的
第二運算放大器所構成的自舉緩沖器，所以光電二極管兩端電壓保持不變，相當于光電
二極管上的寄生電容被隔離，光電流不從寄生電容上流過，尤其是高頻的光電流不從寄
生電容上流過，這樣放大器的帶寬不受光電二極管上寄生電容的限制而得到了提高。
與背景技術《針對光學斷層攝影術的高性能光電二極管接收器的設計》相比，由于
本發明在傳統光電二極管放大器電路的基礎上加入了自舉技術，使光電二極管的寄生電 容被大大抑制，這樣一來產生兩個有利結果1、使放大器帶寬最高提升到12#vfe; 2、使 光電二極管的選擇范圍得以拓展，不受寄生電容值的限制。凡是寄生電容范圍在50p尸到 5 /j尸之間的光電二極管都可使用本發明放大器；由于光電二極管的寄生電容值主要由光敏 面積決定，所以光敏面積在3附附2到200/w^之間的銦砷化鎵光電二極管，以及光敏面積 在4附附2到440附附2之間的硅光電二極管，都可使用本發明放大器，因而本發明放大器實 際上對于光敏面積從小到大的各種光電二極管都是適用且自適應的。另外，本發明與背 景技術相比，只增加了一個元件即實現自舉緩沖功能的第二運算放大器，所以噪聲沒有 明顯提高。事實上，通過選用低噪聲的運算放大器，可控制輸出噪聲不高于加4nF/V^， 比背景技術中的1.2//F / i更低。
與現有美國德州儀器公司的產品運算放大器0PA847應用筆記中的電路相比，本發明 省去了對反饋電容的調節。由于本發明放大器加入了自舉技術，并且通過主放大器與自 舉緩沖器中兩個運算放大器的搭配，放大電路只利用增益電阻上典型值為250/尸的寄生 電容就能實現頻率補償，而且頻率響應對該寄生電容值并不敏感，即放大器對增益電阻 沒有特殊要求，其寄生電容值從200尸尸變化到對頻率響應均沒有影響。因此對因 增益電阻工藝不同導致的寄生電容值不同，即反饋電容值的不同，本發明放大器是能夠 自動調節的。此外，與該背景技術只能使用寄生電容小于50p尸的小光敏面積光電二極管 相比，本發明可應用于寄生電容值范圍在50p尸到5/^之間的各種光電二極管，即光敏面積在3附》22到200附附2之間的銦砷化鎵光電二極管以及光敏面積在4w附2到440 ^2之間 的硅光電二極管，這其中包括了大光敏面積光電二極管。
與現有《光電二極管的前端》中的設計相比，同樣是使用自舉技術，背景技術采用 多個三極管與電阻的組合來構成自舉緩沖器，而本發明僅使用 一個運算放大器來實現。 這樣做有兩個優點1、運算放大器使用方便且性能統一；2、由于運算放大器具有極大 開環增益，所以當其處在負反饋狀態作為緩沖器工作時，比起背景技術中的緩沖器發揮 的自舉功能來效果要明顯得多，因此本發明最終達到的最高帶寬12必fe,比同樣使用了自 舉技術的背景技術中放大器的帶寬l必fe要高得多。
與背景技術《一種使用光電二極管寄生電容自舉抑制技術和垂直門限調整技術實現 的增益54必0 + 42^5速度10<^/5的鍺化硅互阻限幅放大器》相比，前者雖然也使用了自 舉技術且達到的帶寬很高，但因為是集成電路，放大倍數等參數改動起來不靈活，而且 成本高昂得多，實現復雜得多。更重要的是，背景技術中的集成電路放大器，其主放大 器沒有使用工作在負反饋狀態的運算放大器來構成，導致噪聲較高，其全頻帶上等效輸 出噪聲不小于200nK/V^。而本發明放大器在放大倍數為9(WBQ時，最高噪聲才
204;77/V^,在有些頻段低至lb r/V^，信噪比要比背景技術高得多。
圖1是本發明大光敏面積光電二極管的高速低噪聲放大器電路原理圖。'
圖2是本發明大光敏面積光電二極管的高速低噪聲放大器的一種具體實施電路圖。
圖3是實施例中放大器電路計算采用的電路模型圖。
圖4是實施例中放大器的典型頻率響應曲線。
圖5是實施例中放大器的典型噪聲頻譜曲線。
圖6是實施例中放大器光電二極管上寄生電容改變時的頻率響應曲線。 圖7是實施例中放大器增益電阻上寄生電容改變時的頻率響應曲線。 圖8是實施例中放大器變增益電阻時的頻率響應曲線。
具體實施方式
實施例1:
圖1是本發明大光敏面積光電二極管的高速低噪聲放大器電路原理圖。本發明光電 二極管放大器，將一顆增益帶寬乘積在1. 66^z以上的第一運算放大器a的i輸入端接地， 負輸入端連結到增益電阻b —端，增益電阻b是一個貼片式的金屬薄膜電阻，阻值在 到130ytQ之間，第一運算放大器a的輸出端e與增益電阻b的另一端連結，將一只寄生 電容在50; 尸到5/7f之間的光電二極管c的負極與第一運算放大器a的正輸入端相連，又 將光電二極管c的正負極分別連結到一個電壓增益為1的自舉緩沖器的輸入端與輸出端 上；所述自舉緩沖器是由一顆工作在電壓跟隨器模式，即負輸入端與輸出相連結的增益 帶寬乘積在45#yfe以上的第二運算放大器d構成，該第二運算;^文大器d的負輸入端構成 所述自舉緩沖器的輸入端，第二運算放大器d的輸出端構成所述自舉緩沖器的輸出端。
圖2給出了本發明大光敏面積光電二極管的高速低噪聲放大器的一種具體實施電路圖。如圖2所示本實施例中使用一顆美國德州儀器公司生產的運算放大器OPA657，將 其正輸入端接地，負輸入端連結到增益電阻b —端，增益電阻b是一個貼片式的金屬薄 膜電阻，阻值在10/tQ到130A:Q之間。運算放大器0PA657的輸出端e與增益電阻b的另一 端連結，構成一個負反饋環。將一只寄生電容在50p尸到5/7,之間的光電二極管c的負極 與運算放大器OPA657的正輸入端相連，又將光電二極管c的正負極分別連結到一個電壓 增益為1的自舉緩沖器的輸入端與輸出端上，所述自舉緩沖器是由一顆德州儀器公司生 產的運算放大器OPA37的負輸入端與一個阻值為1AQ的貼片式的金屬薄膜型保護電阻u 的一端相連，保護電阻u的另一端與OPA37的輸出端相連而成，此時運算放大器OPA37 以電壓跟隨器的模式工作，0PA37的負輸入端構成了自舉緩沖器的輸入端，OPA37的輸出 端樹成了自舉緩沖器的輸出端。
選擇OPA657這個運算放大器，原因是其1. 的增益帶寬乘積為整個放大系統提 供了足夠的帶寬支持，而增益帶寬乘積指標在OPA657之上即1. 66^z之上的其它型號的 運算放大器，也可用在本發明中使用，如美國國家半導體公司生產的增益帶寬乘積為 1. 76^z的運算放大器LMH6702,美國德州儀器公司生產的增益帶寬乘積為1. 756^z的運 算放大器0PA846,增益帶寬乘積為3. 9ftfe的運算放大器0PA847等等。
增益電阻b阻值可在10H1到130H^之間，根據具體所需放大倍數來確定，此電阻可 調整、可更換。其封裝為貼片式的金屬薄膜型，該類型封裝電阻上的寄生電容典型值為 0. 25p尸，能夠滿足頻率補償的要求。即使由于制造工藝的原因而造成電阻獸生電容值在 0. 2;;尸 0. 6;7尸之間進行波動，依然能滿足本發明放大器的頻率補償需要。
光電二極管c的寄生電容f可在5/^之間選擇。選擇的光敏面積越大，則寄
生電容值越大。對于銦砷化鎵光電二極管，光敏面積可在在3附附2到200附附2之間進行選 擇，對于硅光電二極管，光敏面積可在4附附2到440wW之間進行選擇，而對光電二極管 的其它參數不作要求。
構成自舉緩沖器d的，是一顆以電壓跟隨器的模式工作美國德州儀器公司生產的運 算放大器OPA37，其電壓跟隨器模式按照其芯片說明書上所述的方式進行連結，在此工作 模式中連結在OPA37負輸入端與輸出端的之間的電阻u阻值為1H1，起輸入保護作用， 其1K2這個參數取值是0PA37說明書上所推薦的。選擇OPA37， 一是因為它是場效應管輸 入器件，偏置電流小于100/^1，這個量級的偏置電流不會對作為信號的光電流造成干擾； 二是因為OPA37的增益帶寬乘積在45舶fe以上，不會對放大器系統的總帶k造成限制。 其它型號增益帶寬乘積在4 5 #fe以上的運算放大器可以代替這里的OP A 3 7進行使用。在 使用其它型號的運算放大器時，構成自舉緩沖器的運算放大器電壓跟隨器工作模式要參 考各自的說明書上的參考電路來進行連結。
兩顆運算放大器OPA657與OPA37都使用± 5伏的電源供電。在電源接口 o、 h、 i、 n 與地線之間，l吏用電容p、 q、 f、 g、 j、 k、 1、 m對電源進4亍濾波。對電源濾波電容的工 藝、封裝和參數沒有特殊要求。
在工作時，使用±5伏電源對兩個運算放大器供電。當光電二極管探測到光信號時，光電二極管C內部將光信號轉換成光電流。光電流流過增益電阻b之后，在運算放大器 OPA657的輸出端e形成電壓，光信號就轉變成了電壓信號，然后從運算放大器OPA657 的輸出端e也就是本發明光電二極管放大器的總輸出端傳遞到下一級。下一級可以是電 壓放大器、鎖相放大器、數模轉換器等裝置。由于光電二極管正負極始終連結著由一顆 工作在負反饋狀態下電壓跟隨器模式的運算放大器OPA37所構成的自舉緩沖器，所以光 電二極管兩端電壓保持不變，相當于光電二極管上的寄生電容被隔離，光電流不從寄生 電容上流過，尤其是高頻的光電流不從其上流過，這樣，放大器的帶寬不受光電二極管
上寄生電容的限制而得到了提高。 '
圖3為用于進行本實施例中放大器電路計算采用的電路模型圖。增益電阻b的值在 10H^到130H^之間，增益電阻的寄生電容s,其典型值為0. 因為電阻工藝的原 因，這個典型值會有所波動，計算時考慮寄生電容s的值在0. 2/7尸~ 0. 6pf之間進行波動 的情況。將光電二極管c等效為三個并聯的元件 一個二極管v、 一個因光照所產生的電 流源t和一個寄生電容r。光電二極管寄生電容r變化范圍在50/ 尸~ 5/7,之間。運算放 大器a采用德州儀器提供的OPA657的SPICE宏模型，運算放大器d采用德州儀器提供的 OPA37的SPICE宏才莫型。
按照圖3所示的電路模型，使用德州儀器公司的SPICE電路分析軟件TINA-TI 7. 0 版來進行計算，得到關于光電二極管放大器的頻率響應和噪聲水平結果。
圖4是本實施例中放大器的典型頻率響應曲線。當增益電阻b的取典型值為30A:Q , 其寄生電容s的典型值為0.25 p,,光電二極管的寄生電容r值為200p尸時；計算得到放 大器的典型頻率響應曲線x如圖4中所示，通過3c^增益參考水平c6與頻響曲線x之間 的交點，可判斷放大器的3dB帶寬為12舶fe。
.同樣的參數條件下，得到放大器的典型輸出噪聲頻譜曲線y,圖5是本實施例中放大 器的典型噪聲頻鐠曲線。如圖5中所示，從直流到100&的低頻段，噪聲從68nF/V^"下 降到11"K/V^，呈現典型的1/f噪聲特性。在100#z~ 1001#z段，噪聲水平保持在 11"r/V^ ~ 15"7/V^之間，這是放大器的低噪聲區。此后噪聲水平開始上升，在ll必fe 處達到最高水平204nr/^，隨即下降，因帶寬而截止。
圖6是本實施例中放大器光電二極管上寄生電容改變時的頻率響應曲線。保持增益 電阻b的典型值30M2 ，增益電阻的寄生電容s典型值0. 25 / 尸。當光電二極管因光敏面 積不同，寄生電容r取值不同時，得到放大器頻響曲線ml對應寄生電容r的取值50j9尸， 頻響曲線m2對應寄生電容r的取值200/7尸，頻響曲線m3對應寄生電容r的取值lz 尸，頻 響曲線m4對應寄生電容r的取值5/ 尸,如圖6中所示；通過與3a^增益衰減水平c6相比， 可得到當寄生電容r取到5/7f時，放大器帶寬才下降到5A0fe。圖中的曲線證明放大器對 不同'光敏面積具有不同寄生電容值各種光電二極管都是適用的，在光敏面積很大導致寄 生電容達到5z 尸時，放大器仍然保持很高的帶寬。
圖7是本實施例中放大器增益電阻上寄生電容改變時的頻率響應曲線。保持增益電 阻b的典型值30M2，光電二極管寄生電容r典型值200/^,改變增益電阻上的寄生電容S的值得到放大器不同的變電容頻響曲線Cl對應寄生電容值0. 2p尸，變電容頻響曲線C2 對應寄生電容值0. 3/ 尸，變電容頻響曲線c3對應寄生電容值0. 4/ 尸，變電容頻響曲線c4 對應寄生電容值0. 5/ 尸，變電容頻響曲線c5對應寄生電容值0. 6p尸，如圖7中所示。圖 中的曲線證明頻率響應幾乎不受增益電阻上的寄生電容s改變的影響，參考3d5增益衰 減水平c6，得到各曲線的帶寬均超過12#>fe。這證明，不使用額外的補償電容，僅利用 增益電阻上的寄生電容來進行頻率補償，這種設計是可行的，而且即使寄生電容值大范 圍地波動，本發明放大器對此也能夠自適應。
圖8是實施例中放大器變增益電阻時的頻率響應曲線。保持光電二極管寄生電容r 典型值200; 尸，增益電阻上的寄生電容s為0. 25p尸，當調整增益電阻b阻值以調整放大 倍數時，得到放大器變電阻頻響曲線nl對應增益電阻值10K2，放大器變電阻頻響曲線 n2對應增益電阻值30/i:Q ,放大器變電阻頻響曲線n3對應增益電阻值70ytQ ,放大器變 電阻頻響曲線n4對應增益電阻值13(M:Q，如圖8中所示。計算表明增益電阻值在該范圍 內調整變化時，放大器的帶寬始終高于10必fe。
權利要求
1、一種光電二極管放大器，將增益帶寬乘積在1.6GHz以上的第一運算放大器a的正輸入端接地，負輸入端連結到增益電阻b一端，該增益電阻b是一個阻值為10-130kΩ的貼片式金屬薄膜電阻，第一運算放大器a的輸出端e與增益電阻b的另一端連結，將寄生電容在50pF-5nF的光電二極管c的負極與第一運算放大器a的正輸入端相連，并將光電二極管c的正負極分別連結到電壓增益為1的自舉緩沖器的輸入端與輸出端上；其特征在于所述自舉緩沖器由負輸入端與輸出相連結的增益帶寬乘積在45MHz以上的第二運算放大器d構成，該第二運算放大器d的負輸入端構成所述自舉緩沖器的輸入端，第二運算放大器d的輸出端構成所述自舉緩沖器的輸出端。
全文摘要
本發明公開了一種光電二極管放大器，將增益帶寬乘積在1.6GHz以上的第一運算放大器正輸入端接地，負輸入端連結到阻值為10-130kΩ的貼片式金屬薄膜增益電阻一端，第一運算放大器輸出端接增益電阻另一端，將寄生電容在50pF-5nF的光電二極管負極與第一運算放大器正輸入端相連，光電二極管正負極分別連結到電壓增益為1的自舉緩沖器輸入端與輸出端上，該自舉緩沖器由負輸入端與輸出相連結的增益帶寬乘積在45MHz以上的第二運算放大器構成，其負輸入端構成自舉緩沖器的輸入端，第二運算放大器d的輸出端為自舉緩沖器的輸出端。本發明達到了放大器性能高、自舉技術實現簡單、能自動調節反饋電容和對于不同光電二極管能夠自適應的要求。
文檔編號H03F17/00GK101447769SQ20081015569
公開日2009年6月3日 申請日期2008年10月13日 優先權日2008年10月13日
發明者張啟興, 張永明, 俊 方, 王進軍, 蔡霆力 申請人:中國科學技術大學