本文内容来自于 Microchip 《用于光探测应用的 MCP6491 运放》应用笔记。
1、光电二极管等效模型和基本参数
光电二极管是一种将光转换为小电流（与光辐照强度成正比）的光探测器。
光电二极管等效电路：
① 结点分流电阻Rj：Rj 表示零偏置下光电二极管结点的并联电阻。理想光电二极管具有阻值无限大的Rj，但 Rj 的实际值通常为数千MΩ， 该值取决于光电二极管材料，并且温度每上升 10°C 会减小一半。高值 Rj 可以产生低噪声的光电二极管电流。
② 结电容Cj：Cj与PD面积成正比，与反向偏置电压成反比。 对于零偏置下的小尺寸二极管，典型值为数十 pF。PD结电容对后续放大电路及噪声影响较大。
③ 串联电阻Rs：Rs 是光电二极管的焊线和接触点的电阻，典型值为数十 Ω，远小于 Rj。 对于大多数应用，可以忽略。
④ 暗电流Id：Id 是在反向偏置电压条件下流过光电二极管的小泄漏电流，常温下为pA量级。 即使没有光照，Id也会存在，并且温度每上升10°C其值会增倍。零偏置条件下没有暗电流。
对于光电二极管，除了上述电学参数，还有光灵敏度、QE、FOV等光学参数，这里不详细说明。
2、光电二极管工作模式
光电二极管的2种工作模式：光伏模式和光导模式。
① 光伏模式：光电二极管两端的电压为零。理想情况下，光电二极管中不会流过任何暗电流，线性度和灵敏度达到最高， 而噪声水平相对较低（只有 RJ 的热噪声）。因此，光伏模式非常适合于高精度应用。下图为光伏模式下PD的跨阻放大电路，实际上由于光照uV级的反向偏置也会带来暗电流。
② 光导模式：光电二极管两端具有反向偏置电压。反向偏置电压会减小二极管结电容、缩短响应时间。因此，光电导模式适合于高速应用 （例如，高速数字通信）。该模式的主要缺点包括存在暗电流、非线性度和高噪声水平（Rj 的热噪声和 Id的散粒噪声）。下图为光导模式下PD的跨阻放大电路。
3、光电二极管放大器设计要点
（1）运算放大器参数选择
① 低输入偏置电流Ib：由于偏置电流Ib 产生的直流输出电压误差等于Ib*Rf，Ib会随温度上升而升高，所以较高温度下误差会较大。
② 低输入失调电压Vos：常温下，由Vos产生的直流输出电压误差等于 Vos*(1 + Rf/Rj)；由于Rf远小于Rj，增益约为1 ，该误差约等于 Vos。
③ 低输入噪声电流密度：噪声电流经过Rf，将会产生电阻噪声电压。
④ 低输入噪声电压密度：输入噪声电压会经过噪声增益放大，对输出噪声水平有显著影响。
（2）光电二极管放大电路设计
① 反馈电阻Rf：反馈电阻（Rf）的值应设置得尽可能高，从而为光电流提供高跨阻增益。对于高精度应用，应选择具有严格容差和低温度系数的大电阻。Rf增加，SNR提高：当 Rf增倍时，电阻热噪声会增加 倍，而输出信号电压会升高 2 倍，因此，SNR 会增加 3 dB。
② 运算放大器稳定性、反馈电容Cf：下图以重对数尺度的方式显示了光电二极管放大器的噪声增益波特图。
系统的稳定性由噪声增益（Gn）和交越频率处的开环增 益 （Aol）之间的净斜率决定。
未增加反馈电容Cf：Gn和 Aol之间的净斜率等于 +40 dB/ 十倍频，运放工作在不稳定状态，噪声增益剧增，出现振铃；
增加反馈电容Cf：Gn 和 Aol之间的净斜率等于 +20 dB/ 十倍频，运放工作在稳定状态。
反馈电容Cf的值将影响光电二极管放大电路的信号增益带宽和相位裕度。当Cf增大时，相位裕度将会升高，这会使系统更稳定，峰值剧增、阶跃过冲和噪声增益剧增现象会减少。但是，这也会导致较小的信号增益带宽和较长的输出响应时间。
不同相位裕度所产生过冲百分比如下：
公式 1 近似给出了相位裕度为 65° 时的 Cf值，其中假 定 Rf<< Rj
其中，Cop为运放输入电容（共模输入电容+差模输入电容），GBWP为运放增益带宽积。
在45°相位裕度下Cf的相应值将为公式 1 中所示的一半。
