光電二極管及其放大電路設(shè)計(jì)

內(nèi)容概要

光電技術(shù)是一個(gè)高科技行業(yè)，光電二極管是光通信接收部分的核心器件。光電二極管及其放大電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)地討論了光接收及放大電路的設(shè)計(jì)和解決方案中的帶寬、穩(wěn)定性、相位補(bǔ)償、寬帶放大電路、噪聲抑制等問題。光電二極管及其放大電路設(shè)計(jì)專業(yè)性強(qiáng)，系統(tǒng)架構(gòu)由簡到難，理論與實(shí)踐相結(jié)合，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性、資料性和可讀性。光電二極管及其放大電路設(shè)計(jì)適合光信息科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、光通信相關(guān)專業(yè)的高校師生及研發(fā)人員使用。

作者簡介

Jerald Graeme是國際知名的電子放大器權(quán)威人士。他現(xiàn)在是Gain Technology Corporation的總工程師，在那里他主要從事高速模擬集成電路的設(shè)計(jì)。他先前在Burr Brown Corporation工作了30年，期間主要從事運(yùn)算放大器、儀表放大器、變?cè)鲆娣糯笃?、V/F轉(zhuǎn)換器、兩線傳送器（two-wire transmitters）和模擬乘法器的設(shè)計(jì)工作。
他已經(jīng)為McGraw-Hill寫作了三本運(yùn)算放大器的書，有超過100篇的文章在EDN和Electronics Design等上發(fā)表。他擁有8項(xiàng)美國專利，并且在1993年獲EDN“年度革新者”稱號(hào)。

書籍目錄

第1章 光電二極管1.1 光電效應(yīng)1.2 光電二極管模擬電路1.3 光電二極管的變體1.3.1 PIN光電二極管1.3.2 雪崩光電二極管1.4 位置敏感光電二極管1.4.1 基本的橫向光電二極管1.4.2 橫向光電二極管模型1.4.3 雙橫向光電二極管1.4.4 四橫向光電二極管參考文獻(xiàn)第2章 基本放大器2.1 線性度2.2 偏置2.2.1 利用補(bǔ)償電阻減小偏置2.2.2 利用T型反饋網(wǎng)絡(luò)減小偏置誤差2.3 帶寬參考文獻(xiàn)第3章 帶寬與穩(wěn)定性3.1 固有的響應(yīng)極限3.1.1 寄生電容的響應(yīng)極限3.1.2 運(yùn)算放大器的帶寬響應(yīng)限制3.2 相位補(bǔ)償要求3.2.1 L-C等效諧振和相位補(bǔ)償3.2.2 基本電路反饋分析3.3 相位補(bǔ)償3.3.1 基本相位補(bǔ)償3.3.2 相位裕度分析3.3.3 相位裕度分析的典型例子3.3.4 通常情況下的相位裕度分析3.3.5 相位補(bǔ)償電容的選擇3.4 電流-電壓轉(zhuǎn)換器的帶寬優(yōu)勢3.5 相位補(bǔ)償?shù)目蛇x方案3.5.1 光電二極管放大器的二階響應(yīng)3.5.2 把二階系統(tǒng)結(jié)果用到光電二極管放大器上3.5.3 選擇相位補(bǔ)償進(jìn)行峰值限制3.5.4 實(shí)現(xiàn)精確的相位補(bǔ)償參考文獻(xiàn)第4章 寬帶光電二極管放大器4.1 光電二極管的偏置4.1.1 偏置的影響4.1.2 光電二極管偏置和電流-電壓轉(zhuǎn)換器4.2 偏置的改善4.2.1 偏置電壓的濾波4.2.2 偏置引起誤差的共模抑制4.3 自舉光電二極管4.3.1 基本自舉光電二極管放大器4.3.2 自舉放大器的帶寬分析4.3.3 相位補(bǔ)償自舉放大器4.4 自舉電路和電流-電壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)合4.4.1 基本組合及其要求4.4.2 一個(gè)實(shí)際的緩沖器解決方案4.4.3 組合的帶寬分析參考文獻(xiàn)第5章 噪聲5.1 總體的噪聲效應(yīng)5.1.1 噪聲密度和噪聲增益5.1.2 噪聲增益峰5.1.3 總均方根輸出噪聲5.2 運(yùn)算放大器的輸入噪聲電壓效應(yīng)5.2.1 enoe噪聲部分的直觀推導(dǎo)5.2.2 Enoe分析的簡化5.2.3 Enoe的組成5.3 噪聲效應(yīng)的結(jié)合5.3.1 噪聲分析總結(jié)5.3.2 對(duì)于主要噪聲效應(yīng)的識(shí)別參考文獻(xiàn)第6章 降噪6.1 利用反饋電容Cf降噪6.1.1 Cf的噪聲增益降低6.1.2 Cf情況下的噪聲分析6.2 噪聲帶寬與信號(hào)帶寬6.3 使用復(fù)合放大器降噪6.3.1 復(fù)合放大器的噪聲帶寬降低6.3.2 復(fù)合放大器的噪聲增益降低6.3.3 優(yōu)化復(fù)合噪聲與帶寬6.3.4 復(fù)合情況下的噪聲分析6.3.5 與有源濾波器電路方案的比較6.4 相位補(bǔ)償解耦降噪6.4.1 解耦的噪聲增益降低6.4.2 解耦情況下噪聲與帶寬的優(yōu)化6.4.3 解耦情況下的噪聲分析參考文獻(xiàn)第7章 高增益光電二極管放大器7.1 使用反饋T型網(wǎng)絡(luò)7.1.1 反饋T型產(chǎn)生的增益和噪聲7.1.2 T型的噪聲電壓響應(yīng)優(yōu)化7.1.3 T型的阻抗噪聲響應(yīng)優(yōu)化7.1.4 T型方案的噪聲分析7.2 增加一個(gè)電壓放大器7.2.1 優(yōu)化雙放大器的帶寬與噪聲的關(guān)系7.2.2 帶寬與噪聲優(yōu)化的設(shè)計(jì)7.2.3 雙放大器方案的噪聲分析7.3 增加電壓增益7.3.1 電壓增益方案7.3.2 優(yōu)化單放大器的帶寬與噪聲7.3.3 單放大器方案的噪聲分析7.4 增加電流增益7.4.1 電流增益方案7.4.2 優(yōu)化電流增益的帶寬與噪聲關(guān)系7.4.3 電流增益方案的噪聲分析參考文獻(xiàn)第8章 減少電源噪聲耦合8.1 電源旁路要求8.1.1 噪聲耦合機(jī)制8.1.2 噪聲耦合頻率響應(yīng)8.1.3 電源耦合與頻率穩(wěn)定性8.1.4 振蕩條件8.2 選擇基本旁路電容8.2.1 旁路諧振8.2.2 旁路諧振的直觀分析8.2.3 旁路選擇8.3 選擇次級(jí)旁路電容8.3.1 旁路電容自身諧振8.3.2 雙重旁路電容8.3.3 雙重旁路的選擇8.4 旁路方案8.4.1 雙重旁路諧振的消諧8.4.2 選擇消諧電阻8.5 電源去耦8.5.1 去耦方案8.5.2 選擇去耦元件參考文獻(xiàn)第9章 減小外部噪聲效應(yīng)9.1 降低靜電耦合9.1.1 靜電屏蔽9.1.2 差動(dòng)輸入的電流-電壓轉(zhuǎn)換器9.1.3 差動(dòng)輸入連接的其他噪聲效應(yīng)9.1.4 差動(dòng)輸入光電二極管放大器的替代方案9.1.5 差動(dòng)輸入替代方案的其他噪聲影響9.2 降低磁耦合以及射頻干擾9.2.1 磁屏蔽9.2.2 電路中磁耦合的降低9.3 復(fù)合耦合噪聲影響的降低9.4 磁場產(chǎn)生的最小化參考文獻(xiàn)第10章 位置敏感光電二極管放大器10.1 直接位移監(jiān)測放大器10.1.1 使用差動(dòng)光電二極管放大器單軸監(jiān)測10.1.2 差動(dòng)光電二極管放大器噪聲的降低10.1.3 不同的光電二極管連接方式10.1.4 差動(dòng)光電二極管連接方式的替代方案10.1.5 二維方向上的測量10.2 歸一化的監(jiān)測放大器10.2.1 差動(dòng)光電二極管放大器的歸一化10.2.2 歸一化的簡化10.2.3 歸一化的差動(dòng)光電二極管放大器的簡化10.3 歸一化的數(shù)字方案10.3.1 陣列信號(hào)的處理10.3.2 確定邏輯輸出水平參考文獻(xiàn)名詞解釋

章節(jié)摘錄

　　1.1 光電效應(yīng) 所示，光照射在半導(dǎo)體材料上，釋放電子空穴對(duì)，產(chǎn)生電流。光子將能量轉(zhuǎn)移到輻射材料的原子中，將空穴和電子載流子激發(fā)到導(dǎo)態(tài)。進(jìn)入導(dǎo)態(tài)后，載流子并不一定會(huì)參與電流的流動(dòng)。在半導(dǎo)體結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)釋放出的載流子組成了光電流的主要部分，這主要是因?yàn)楹谋M區(qū)的電場對(duì)載流子的加速作用。在耗盡區(qū)中存在的已經(jīng)電離的或耗盡的原子支撐了跨過PN 結(jié)的電勢差。此電場使載流子向二極管的上下端加速移動(dòng)，為載流子增加了傳導(dǎo)能量并減少了復(fù)合概率。PN 結(jié)外加反向偏置電壓，可以擴(kuò)大耗盡區(qū)，使更多的半導(dǎo)體材料成為載流子加速區(qū)。然而，在沒有外加反向偏置電壓時(shí)，在PN 結(jié)內(nèi)建電場的作用下，耗盡區(qū)仍然存在。熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散穿過PN 結(jié)形成凈電荷層。最終，凈電荷形成的跨過PN 結(jié)的電場與這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相平衡，形成了PN 結(jié)內(nèi)建電場。在耗盡區(qū)以外釋放出來的載流子在半導(dǎo)體材料里面擴(kuò)散，直到到達(dá)耗盡區(qū)或被復(fù)合。到達(dá)耗盡區(qū)的載流子在電場加速作用下被傳送到二極管的兩端，成為傳導(dǎo)電流的一部分。典型情況下，只有在耗盡區(qū)一個(gè)擴(kuò)散長度內(nèi)生成的載流子才會(huì)成為傳導(dǎo)電流。光電二極管結(jié)構(gòu)和光波長是影響光電轉(zhuǎn)化效率的重要因素。這里，半導(dǎo)體摻雜濃度和結(jié)深度是關(guān)鍵參數(shù)。輕度摻雜材料通過減少單位體積內(nèi)的摻雜原子數(shù)擴(kuò)大耗盡區(qū)。這些摻雜物或選擇性雜質(zhì)添加，生成了含有勢阱或電子載流子的原子，其能級(jí)接近半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶能級(jí)。在它們的高能態(tài)，這些原子更容易電離，一旦離子化，它們就會(huì)支撐耗盡區(qū)的電場。這樣，輕度摻雜擴(kuò)大了耗盡區(qū)的體積，由裸露電荷占據(jù)了耗盡區(qū)并支撐著內(nèi)建電場。遺憾的是，電氣接觸要求材料具有低電阻率，這一點(diǎn)限制了輕度摻雜的選擇。PN 結(jié)的深度和廣度不僅決定了耗盡區(qū)的位置，還確定了有效響應(yīng)的光波長。光子產(chǎn)生載流子的深度是與光波長成比例的一個(gè)深度范圍。這樣，薄型PN 結(jié)可以有效轉(zhuǎn)化短波長的光，其耗盡區(qū)可以囊括絕大部分光生載流子。然而，對(duì)于長波長，則需要更大的耗盡區(qū)才能有效轉(zhuǎn)化，這一點(diǎn)我們?cè)诤竺娴腜IN 光電二極管會(huì)有討論。對(duì)于給定的光電二極管和給定的波長，光電二極管響應(yīng)度通過ip ＝ r??e 描述了最終效率1。這里，r?是二極管的通量響應(yīng)率，?e 是輻射通量的功率，單位：瓦。由于載流子漂移形成光電流的兩種不同的機(jī)制，導(dǎo)致了ip的交流響應(yīng)表現(xiàn)出了雙時(shí)間常數(shù)的特性2。如上所述，無論耗盡區(qū)內(nèi)部還是外部產(chǎn)生的載流子都對(duì)光電流的形成有所貢獻(xiàn)。在電場加速作用下，耗盡區(qū)內(nèi)部生成的載流子迅速移向二極管的兩端。形成了ip電流的快速或渡越電流部分idr，這些電流受耗盡區(qū)的漂移時(shí)間控制。耗盡區(qū)外部生成的載流子開始受方向或速度的影響很小，漂移緩慢。當(dāng)這些外部生成的載流子到達(dá)耗盡區(qū)時(shí)，它們也迅速移動(dòng)，但是最初的擴(kuò)散時(shí)間形成了ip電流的擴(kuò)散部分idi。兩種電流結(jié)合為時(shí)域電流ip （t） ＝ αdr idr （t） + αdi idi（t），其中αdr 和αdi分別表示渡越和擴(kuò)散電流部分的系數(shù)。這將產(chǎn)生階躍響應(yīng)ip （t） ＝ ip （∞）（1 - αdr e- t/τdr - αdi e- t/τdi）其中，τdr和τdi為時(shí)間常數(shù)，分別描述渡越和擴(kuò)散的響應(yīng)特性。圖1.2顯示了這兩個(gè)響應(yīng)和它們的合成ip（t）的曲線。idr和idi的曲線形狀反映出時(shí)間常數(shù)τdr和τdi有很大的差別。兩曲線結(jié)合后生成的ip曲線含有典型雙時(shí)間常數(shù)。最初，ip上升迅速，這要?dú)w因于idr的效果，之后，ip會(huì)經(jīng)歷一個(gè)idi造成的較長的建立時(shí)間，這個(gè)建立時(shí)間定義了光電二極管的基本交流響應(yīng)極限。但是，由于光電二極管的電容和監(jiān)測放大器的帶寬限制，大多數(shù)光電二極管在應(yīng)用時(shí)都會(huì)引入更多更顯著的限制。這些其他影響會(huì)在第3 章中進(jìn)行討論。1.2 光電二極管模擬電路 可以用分立電子元件建立光電二極管的特性模型，便于應(yīng)用電路的分析。如圖1.3所示，模型包括一個(gè)理想二極管、一個(gè)電流源以及其他附加的寄生單元。電流源ip代表光電二極管信號(hào)，二極管則再現(xiàn)了正向偏置狀態(tài)的電壓條件。RD代表二極管的暗電阻，即零偏置時(shí)的結(jié)電阻。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，暗電阻的阻值很大，流過的電流很小，可以忽略。類似地，半導(dǎo)體材料的串聯(lián)電阻RS值很小，一般也可以被忽略。然而，寄生電容CD卻會(huì)對(duì)大多數(shù)的光電二極管應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。電容引起的穩(wěn)定性、帶寬和噪聲優(yōu)化等都會(huì)在后面的章節(jié)中進(jìn)行討論。CD代表光電二極管PN 結(jié)的電荷儲(chǔ)存效應(yīng)，它會(huì)隨二極管面積和電壓變化而變化。二極管面積越大，PN結(jié)儲(chǔ)存電荷也就越多，相應(yīng)的CD值也就越大。二極管反向偏置提高了PN 結(jié)的耗盡區(qū)寬度，相當(dāng)于有效地增加了電容器兩極板之間的距離，從而降低了CD值。電壓對(duì)CD的影響CD ＝ CD01 + VR / φBCD0 是光電二極管零偏置電容，φB 是二極管PN 結(jié)的內(nèi)建電壓。CD0不變，反向偏置電壓VR 與φB 的比值越大，CD 就越小。實(shí)際電路應(yīng)用都會(huì)降低電容CD，這種電容的減小對(duì)實(shí)際應(yīng)用電路的好處將會(huì)在第4 章中進(jìn)行量化分析。這個(gè)光電二極管模型的簡化版本有助于很好地解釋光電二極管的特性曲線。對(duì)一個(gè)光電二極管，改變二極管兩端電壓進(jìn)行掃描，測量端子間的電流，可得出二極管的特性曲線。由于光電二極管內(nèi)部會(huì)生成光電流，因此會(huì)引入另一個(gè)變量。但是，為了評(píng)估光電二極管的性能，我們需要區(qū)分二極管的終端電流和光生電流。圖1.4 說明了圖1.3 中的電流源和光生電流的區(qū)別。由于暗電阻影響很小，該簡化模擬電路忽略了暗電阻。類似地，由于通常的特性曲線測量屬于低頻區(qū)域，因此電容CD也被忽略了。利用該模型，我們給端點(diǎn)加上測試電壓ep，生成終端電流 iT ＝ id -ip。這里，測量產(chǎn)生的二極管電流id把測量電流iT與光生電流ip區(qū)別開來。外加ep極性的不同可能影響也可能不影響特征曲線的直觀評(píng)價(jià)結(jié)果。圖1.4 為零照度通量?e＝0的曲線和一些通量密度是測量得到的照度通量?em的整數(shù)倍的對(duì)應(yīng)曲線。這些測量曲線顯示了相似的二極管電流電壓特性，只是由于照度通量的不同產(chǎn)生了偏移的變化。然而，解釋曲線的光子增益需要從垂直軸轉(zhuǎn)換到水平軸，比較通過零點(diǎn)的電壓ep。對(duì)于ep ≤ 0，模型中的二極管保持反偏狀態(tài)，id ＝ 0，iT ＝ -ip。測量的電流直接反映二極管光子響應(yīng)。在這個(gè)曲線的這一區(qū)域，零照度或?e ＝ 0 使ip 在最小的漏電或暗電流水平。ip 的值隨?e 的值線性增加，圖中iT ＝ - ip 曲線垂直向下平移。曲線之間的垂直間隔反映光子增益和光電二極管的響應(yīng)率，即先前ip ＝ r??e 表達(dá)式中的r?。在同一區(qū)域內(nèi)，曲線的傾斜反映出光電二極管的響應(yīng)率隨反向偏置電壓的增大而增大。正如前面所提到的，這個(gè)反向偏置增加了二極管損耗區(qū)的寬度，也就增長了響應(yīng)率。這個(gè)ep ＜ 0 的區(qū)域代表著光電導(dǎo)區(qū)或光電二極管響應(yīng)的電流輸出區(qū)。對(duì)于ep ＞ 0，二極管變成了前向偏置并且影響著測量到的電流。這樣id ≠ 0，前向偏置增加了測量電流 iT ＝ id - ip。在曲線的這一區(qū)域，曲線的路徑不再只反映光子響應(yīng)。不過，這些曲線的間隔仍然代表了光子增益，這是因?yàn)檫@些間隔是由ip的變化獨(dú)自產(chǎn)生的。曲線的水平間隔反映了光電二極管的光伏模式或電壓輸出模式的光子增益。在實(shí)際的光伏的模式下，沒有ep 測量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。而是由ip 供應(yīng)二極管的全部電流，在圖1.4 中，id ＝ip，產(chǎn)生電壓ep 作為輸出信號(hào)。ip 流過二極管產(chǎn)生ep ＝ VtlnipID，這里Vt＝KT/q是半導(dǎo)體結(jié)的熱電壓，ID是二極管的暗電流或反向飽和電流。先前的ip變量和照度?e的線性關(guān)系表示為ip ＝ r??e。這樣得到表達(dá)式ep ＝ Vt ln r??eIDep 是光強(qiáng)的對(duì)數(shù)函數(shù)而不是線性函數(shù)。1.3 光電二極管的變體 基本光電二極管的兩個(gè)變體提高了二極管的響應(yīng)特性。PIN光電二極管增加了光譜寬度或光頻率范圍，因而產(chǎn)生了高效的光子響應(yīng)。雪崩光電二極管大幅度地增加了輸出電流和響應(yīng)速度，這主要通過允許二極管偏置在擊穿電壓的邊緣來實(shí)現(xiàn)。然而……

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