在快樂的圣誕假期，您是否曾經(jīng)想知道圣誕樹上的哪一盞燈最亮呢？一個(gè)光電二極管可以幫您確定這些燈的亮度。盡管如此，要在背景燈光下眾多燈泡中找出最亮的那一盞仍然是一項(xiàng)艱難的工作，除非您對(duì)您的光電系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，使用兩個(gè)光電二極管。這樣，您便可以最小化來自背景照明討厭的系統(tǒng)偏差，在所有燈泡中準(zhǔn)確地找到最亮的那一盞。
通過監(jiān)測(cè)其輸出信號(hào)之間的差異，您可以使用兩個(gè)光電二極管來確定某盞燈的位置。如果您在差動(dòng)光電二極管放大器配置中使用三個(gè)運(yùn)算放大器（請(qǐng)參見圖1），您就會(huì)在您的電路中更精確地看到相似和差異。
圖1 差動(dòng)輸入降低了共模誤差，同時(shí)使用了兩個(gè)光電二極管（D1 和D2）信號(hào)的差異。
A1 和A2 配置起到傳統(tǒng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器或者跨阻抗放大器的作用。A3 和R2 形成一個(gè)差動(dòng)放大器，從而扣掉A1 和A2 的輸出電壓。在本電路中，光電二極管的入射光，使電流從陰極到陽極流經(jīng)二極管。由于A1和A2反相輸入的輸入阻抗極高，因此光電二極管的電流流經(jīng)反饋電阻R1。放大器反相輸入的電壓追隨放大器非反相輸入的電壓。
結(jié)果，放大器輸出根據(jù)電阻R1 的IR 壓降改變電壓。請(qǐng)注意，A1 和A2 的輸出電壓同時(shí)包括差動(dòng)和共模信號(hào)。A3 抑制共模信號(hào)，并向VOUT 的電路輸出提供差動(dòng)電壓信號(hào)。
運(yùn)算放大器具有各種各樣的規(guī)范和性能特性，但只有一部分會(huì)影響光電二極管電路的穩(wěn)定性和噪聲性能。A1 和A2 的關(guān)鍵性能參數(shù)為輸入電容、偏置電流、偏差、噪聲和溫度漂移。我們的目標(biāo)是選擇那些參數(shù)盡可能低的放大器。您會(huì)發(fā)現(xiàn)，A1 和A2 要求低輸入電流CMOS 或者FET 運(yùn)算放大器。
圖1 中，您可以通過離散方式或者使用一種現(xiàn)成的產(chǎn)品，來實(shí)現(xiàn)差動(dòng)放大器（有時(shí)稱作差分放大器）。只要A3 周圍的電阻器值相等，則這種電路的DC 傳輸函數(shù)便等于1 V/V。
如果A3 周圍所有電阻器值相等的假設(shè)不正確，則在兩個(gè)輸入信號(hào)之間就會(huì)存在明顯的增益誤差。通過使用一個(gè)電位計(jì)代替四個(gè)電阻器中的任何一個(gè)，您就可以很容易地對(duì)這種誤差進(jìn)行補(bǔ)償。但更重要的是，兩個(gè)輸入的共模電壓變化時(shí)，這種錯(cuò)配會(huì)在系統(tǒng)中引起非線性。您可以將輸入信號(hào)的共模電壓定義為(VA1_OUT + VA2_OUT)/2。理想情況下，差動(dòng)放大器會(huì)抑制共模電壓變化。電阻器錯(cuò)配帶來的共模抑制(CMR) 誤差計(jì)算結(jié)果如下：
CMR = 100*(1 + R2/R1) / (% of mismatch error)
請(qǐng)注意，兩個(gè)光電二極管的相同照明度讓VOUT 等于零伏。D1 和D2 對(duì)照明強(qiáng)度的線性響應(yīng)，使VOUT 的大小變?yōu)閷?duì)D1 和D2 上直接光照之間差異的直接測(cè)量。
一個(gè)單光電二極管通過二極管輸出信號(hào)的大小，提供一定的光強(qiáng)度測(cè)量。但是，各種背景光會(huì)影響這種信號(hào)的大小，從而要求經(jīng)過校準(zhǔn)的、不切實(shí)際的測(cè)量條件。增加第二個(gè)匹配光電二極管，對(duì)兩個(gè)二極管輸出之間的差異進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以消除兩個(gè)二極管產(chǎn)生的相同偏差。幸運(yùn)的是，背景光只給光電二極管的輸出增加一個(gè)偏差，而差動(dòng)放大器可以消除這種影響。
參考文獻(xiàn)：
- 《利用運(yùn)算放大器進(jìn)行光電二極管監(jiān)控》，sboa035。TI,1995 年1 月。
- 《光電二極管放大器：運(yùn)算放大器解決方案》，作者：Grame, Jerald。McGraw-Hill, ISBN：0-07-024247, 2006年。
- 《INA05-高精度單位增益差動(dòng)放大器》，PDS-617G。TI，1993 年8 月。