图1所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有暗电流补偿功能。系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器(ADC)的输入。该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA,适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。

图1. 具有暗电流补偿功能的光电二极管前置放大器系统(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

本电路还适合其它应用，如模拟光隔离器。它还能满足需要更高带宽和更低分辨率的应用，如自适应速度控制系统。

本电路笔记讨论图1中所示电路的优化设计步骤，以满足特定带宽应用的要求，这些步骤包括：稳定性计算、噪声分析和器件选择考虑因素。

光电二极管属于高阻抗传感器，用于检测光的强度。它没有内部增益，但相比其它光检测器，可在更高的光级度下工作。

光电二极管工作时采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光导)模式。光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。在反向偏置条件下，存在少量的电流(称为暗电流)，它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图1所示。

有三个因素影响光电二极管的响应时间：

处于光电二极管耗尽区域内载波的充电采集时间

处于光电二极管未耗尽区域内载波的充电采集时间

二极管电路组合的RC时间常数

由于结电容取决于光电二极管的扩散区以及施加的反向偏置，采用扩散区较小的光电二极管并施加较大的反向偏置即可获得更快的上升时间。在 CN-0272电路笔记中，采用 SFH 2701 PIN光电二极管，其结电容典型值为3 pF,0 V偏置下的最大值为5 pF.1 V反向偏置时的典型电容为2 pF,5 V 反向偏置时为1.7 pF.本电路的测量均在5 V反向偏置下进行。

光电二极管介绍

光电二极管(Photo-Diode)和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。

工作原理

光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小(一般小于0.1微安)，称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。

应用

PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样，在诸如光敏电阻、感光耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)以及光电倍增管等设备中有着广泛应用。它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电信号(例如测量仪器)或者在数字电路的不同状态间切换(例如控制开关、数字信号处理)。

光电二极管在消费电子产品，例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多应用产品来说，可以使用光电二极管或者其他光导材料。它们都可以被用于测量光，常常工作在照相机的测光器、路灯亮度自动调节等。

所有类型的光传感器都可以用来检测突发的光照，或者探测同一电路系统内部的发光。光电二极管常常和发光器件(通常是发光二极管)被合并在一起组成一个模块，这个模块常被称为光电耦合元件。如果这样就能通过分析接收到光照的情况来分析外部机械元件的运动情况(例如光斩波器)。光电二极管另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介，这样两段电路就可以通过光信号耦合起来，这可以提高电路的安全性。

在科学研究和工业中，光电二极管常常被用来精确测量光强，因为它比其他光导材料具有更良好的线性。

在医疗应用设备中，光电二极管也有着广泛的应用，例如X射线计算机断层成像(computed tomography, CT)以及脉搏探测器。

PIN结型光电二极管一般不用来测量很低的光强。然而，如果光强足够大，雪崩光电二极管、感光耦合元件或者光电倍增管就能发挥作用，例如天文学、光谱学、夜视设备、激光测距仪等应用产品。

与光电倍增管的比较比光电倍增管更加优越的特性：

1.更好的线性

2.从190纳米到1100纳米(硅)的响应光谱范围

3.低噪声

4.被加固以适应机械挤压

5.价格低廉

6.结实但自重较轻

7.使用寿命长

8.无需高压电源即可工作

缺点：

1.面积太小

2.没有内部增益(雪崩光电二极管除外，而且即使是雪崩光电二极管，其内部增益也通常只有102–103 ，远低于光电倍增管的108数量级

3.总的来说灵敏度更低

4.只有具有特殊设计的产品才能对光子进行技术

5.许多产品设计的响应时间更慢