原创 给您的假期安排一个好项目

在快乐的圣诞假期，您是否曾经想知道圣诞树上的哪一盏灯最亮呢？一个光电二极管可以帮您确定这些灯的亮度。尽管如此，要在背景灯光下众多灯泡中找出最亮的那一盏仍然是一项艰难的工作，除非您对您的光电系统进行扩展，使用两个光电二极管。这样，您便可以最小化来自背景照明讨厌的系统偏差，在所有灯泡中准确地找到最亮的那一盏。

通过监测其输出信号之间的差异，您可以使用两个光电二极管来确定某盏灯的位置。如果您在差动光电二极管放大器配置中使用三个运算放大器（请参见图 1），您就会在您的电路中更精确地看到相似和差异。

图 1 差动输入降低了共模误差，同时使用了两个光电二极管（D1 和 D2）信号的差异。

A₁ 和 A₂ 配置起到传统电流-电压转换器或者跨阻抗放大器的作用。A₃ 和 R₂ 形成一个差动放大器，从而扣掉 A₁ 和 A₂ 的输出电压。在本电路中，光电二极管的入射光，使电流从阴极到阳极流经二极管。由于A₁和A₂反相输入的输入阻抗极高，因此光电二极管的电流流经反馈电阻R₁。放大器反相输入的电压追随放大器非反相输入的电压。

结果，放大器输出根据电阻 R₁ 的 IR 压降改变电压。请注意，A₁ 和 A₂ 的输出电压同时包括差动和共模信号。A₃抑制共模信号，并向 V_OUT的电路输出提供差动电压信号。

运算放大器具有各种各样的规范和性能特性，但只有一部分会影响光电二极管电路的稳定性和噪声性能。A₁ 和 A₂ 的关键性能参数为输入电容、偏置电流、偏差、噪声和温度漂移。我们的目标是选择那些参数尽可能低的放大器。您会发现，A₁ 和 A₂ 要求低输入电流 CMOS 或者 FET 运算放大器。

图 1 中，您可以通过离散方式或者使用一种现成的产品，来实现差动放大器（有时称作差分放大器）。只要 A₃ 周围的电阻器值相等，则这种电路的 DC 传输函数便等于 1 V/V。

如果A₃周围所有电阻器值相等的假设不正确，则在两个输入信号之间就会存在明显的增益误差。通过使用一个电位计代替四个电阻器中的任何一个，您就可以很容易地对这种误差进行补偿。但更重要的是，两个输入的共模电压变化时，这种错配会在系统中引起非线性。您可以将输入信号的共模电压定义为 (V_{A1_OUT} + V_{A2_OUT})/2。理想情况下，差动放大器会抑制共模电压变化。电阻器错配带来的共模抑制 (CMR) 误差计算结果如下：

CMR = 100*(1 + R₂/R₁) / (% of mismatch error)

请注意，两个光电二极管的相同照明度让 V_OUT 等于零伏。D₁ 和 D₂ 对照明强度的线性响应，使 V_OUT 的大小变为对 D₁ 和 D₂ 上直接光照之间差异的直接测量。

一个单光电二极管通过二极管输出信号的大小，提供一定的光强度测量。但是，各种背景光会影响这种信号的大小，从而要求经过校准的、不切实际的测量条件。增加第二个匹配光电二极管，对两个二极管输出之间的差异进行监测，可以消除两个二极管产生的相同偏差。幸运的是，背景光只给光电二极管的输出增加一个偏差，而差动放大器可以消除这种影响。

参考文献：

·         《利用运算放大器进行光电二极管监控》，sboa035。TI,1995 年 1 月。

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·         《光电二极管放大器：运算放大器解决方案》，作者：Grame, Jerald。McGraw-Hill, ISBN：0-07-024247, 2006 年。

·         《INA05-高精度单位增益差动放大器》，PDS-617G。TI，1993 年 8 月。