VLC可见光通信：1、光敏二极管放大电路

硅光电池

选用硅光电池为：2CU84
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参数说明：

硅光电池2：VBWP34S，参数如下：

硅光电池：5800B，测试日常光照强度下，电流为1ua左右。用聚光灯打上去，距离为0时为50ua，距离1m左右为10ua。测量其内部电容为20pF左右。

三级放大电路

同时需要一个放大器提供偏置电压：

一级放大电路

下面是来源于TI官网上给的光电二极管放大电路

其频率响应如下：

电路分析

我们对此电路进行分析：

此电路是跨阻放大电路，关于跨阻放大电路的分析如下：
由于电路虚断特性，光敏二极管光照下产生的电流完全流进电阻R1。由于放大器虚短特性，R1左侧电压恒定为1.65V，则R3右侧电压就等于：
$V_{OUT}=V_{REF}+I_{PD}\ast R3$
对以上仿真电路，我们的$I_{PD}$为25uA，经R3=52K电阻放大后，可以产生的电压变化为：1.3V。
仿真结果如下：

这是对于200K的信号。
我们把信号频率提高到2M，仿真结果如下：

发现波形已经不是方波了，已经失真为三角波了。
在反馈电路中，除了反馈电阻，还有一个反馈电容C2：

我们计算C2对2MHZ信号的容抗：
$X{C}_{C2}=\frac{1}{2\pi fc}=\frac{1}{2\times 3.14\times 2\times 10^6\times 3.3\times 10^{-12}}=24.1K\Omega$

C2对200KHZ信号的容抗：
$X{C}_{C2}=\frac{1}{2\pi fc}=\frac{1}{2\times 3.14\times 2\times 10^5\times 3.3\times 10^{-12}}=241K\Omega$

由于C2和R3放置在一起充当反馈回路，因此如果C2的容抗比较小，则反馈电流完全从C2流经了输出端。
因此，对于2MHZ信号，我们可以选择增大C2的容抗，或者降低反馈电阻R3。

• 首先，我们采用增大C2的容抗，将C2容值由3.3pF改为0.33pF，仿真结果如下：
  
  仿真结果：
  

发现又恢复成正常的方波了。但此时，放大器反向输入端电压波动较大，已经较处于放大器的极限了。

• 如果我们把反馈电容去掉，则光信号端所有的电流都会流进电阻R3。理论上是这样，但实际必须有反馈电容来防止跨阻放大器出现自激振动。我们测试把反馈电容去掉：
  

仿真结果：

• 我们再采用降低反馈电阻的方法，使得反馈电流依旧流进电阻。由于电容容抗为24.1K，我们将R3由52K改为5.2K，增益变小了10倍，电压波动范围由1.3V变为了0.13V。如下：
  
  仿真结果：
  

结论

因此，我们得出结论，跨阻放大器放大倍数取决于放大器的反馈电阻。为了防止电路自激振动，必须在反馈电阻端加反馈电容。如果反馈电容阻值较大，则其对高频信号容抗较小，此时反馈电路没有流经反馈电阻，跨阻放大失效。必须保证电容对信号的容抗比电阻的阻抗为10倍左右。

PD传感器分析：

PD传感器自身带有电容，且PD传感器的底面积越大，电容越大，高频越受影响。分析如下：

这里仿真PD传感器的内部电容为3.3pF，计算其对2M信号容抗为：

$X{C}_{C3}=\frac{1}{2\pi fc}=\frac{1}{2\times 3.14\times 2\times 10^6\times 3.3\times 10^{-12}}=24.1K\Omega$

而跨阻放大器的输入阻抗为：24.1K并52K，相当于：16.47K

二者相近。如果有的PD传感器内部电容较大，如把3.3pF改为33nF，则其容抗为0.00241K，远小于跨阻放大器输入阻抗16.47K，则电流信号全部由自身电容吸收：
如下：

仿真结果：

减小自激震荡

我们前面提过，如果将反馈电容去掉，则其容易出现自激振荡。但加上反馈电容，在高频时要求其容抗较大，从而电容要求其容值很小。而电容容值常见是0.5PF最小。因此有没有什么方法可以去掉反馈电容，又不出现自激振荡呢？
我们采用以下电路：

此时会出现自激振荡：

我们把PD内部电容值调大，相对于C3和R3组成低通滤波器。把C3调大为33pF：
如下：

仿真结果：

也可以在放大器的反向输入端加入低通滤波器：

如上图，C2、R3组成低通滤波器：
RC滤波器-3dB截止频率计算如下：
$Fc=\frac{1}{2\times \pi \times R\times C}=\frac{1}{2\times \pi \times 1\times 10^3\times 79.6\times 10^{-12}}=2MHZ$

仿真结果如下：

5M电路

配合10M的RC低通滤波器

仿真结果：

去掉RC低通滤波器：

仿真结果：也很好

但此时PD电容改为33PF，结果很坏;

PD电容改为33PF，同时加上10低通滤波：

参考：

跨阻放大电路分析
RC滤波器