图2 非理想的光电二极管模型

当光照射到光电二极管上时，电流便产生了，不同二极管在不同环境中产生的电流ISC、具有的CPD、RPD值以及图中放大器输出电压为0~5V所需的电阻RF值均不同，例如SD-020-12-001硅光电二极管，在正常直射阳光（1000fc［英尺-烛光］）时，ISC=30m A、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=167kW ;睛朗白天（100fc）时，ISC = 3m A、CPD=50pF、RPD= 1000 MW 、RF=1.67MW ;桌上室内光（1.167fc）时，ISC=35nA、CPD=50pF、RPD=1000MW 、RF=142.9MW 。可见光照不同时，ISC有显著变化，而CPD、RPD基本不变。

工作于光致电压方式下的光电二极管上没有压降，即为零偏置。在这种方式中，为了光灵敏度及线性度，二极管被应用到最大限度，并适用于精密应用领域。影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们会影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。

结电容CPD是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的。耗尽层窄，结电容的值大。相反，较宽的耗尽层（如PIN光电二极管）会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约从20或25pF到几千pF以上。结电容对稳定性、带宽和噪声等性能产生的重要影响将在下面讨论。

在光电二极管的数据手册中，寄生电阻RPD也称作“分流”电阻或“暗”电阻。该电阻与光电二极管零偏或正偏有关。在室温下，该电阻的典型值可超过100MW 。对于大多数应用，该电阻的影响可被忽略。

分流电阻RPD是主要的噪声源，这种噪声在图2中示为ePD。RPD产生的噪声称作散粒噪声（热噪声），是由于载流子热运动产生的。

二极管的第二个寄生电阻RS称为串联电阻，其典型值从10W 到1000W 。由于此电阻值很小，它仅对电路的频率响应有影响。光电二极管的漏电流IL是引发误差的第四个因素。如果放大器的失调电压为零，这种误差很小。

与光致电压方式相反，光致电导方式中的光电二极管具有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器上时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。

下面将集中讨论光致电压方式下的光电二极管的应用领域。

2.2 运放的SPICE模型

运算放大器具有范围较宽的技术指标及性能参数，它对光检测电路的稳定性和噪声性能影响很少。其主要参数示于图3的模型中，它包括一个噪声源电压、每个输入端的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容及与频率有关的开环增益。

输入差分电容CDIFF和输入共模电容CCM是直接影响电路稳定性和噪声性能的寄生电容。这些寄生电容在数据手册中通常规定为典型值，基本不随时间和温度变化。

另一个涉及到输入性能的是噪声电压，该参数可模拟为运放同相输入端的噪声源。此噪声源为放大器产生的所有噪声的等效值。利用此噪声源可建立放大器的全部频谱模型，包括1/f噪声或闪烁噪声以及宽带噪声。讨论中假设采用CMOS输入放大器，则输入电流噪声的影响可忽略不计。

　　    图3 非理想的运放模型

当运行SPICE噪声模拟程序时，必须使用一个独立的交流电压源或电流源。为了模拟放大器的输入噪声RTI，一个独立的电压源VIN应加在放大器的同相输入端。另外，电路中的反馈电阻保持较低值（100W ），以便在评估中不影响系统噪声。

图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益AOL（jw ），典型情况下，在传输函数中该响应特性至少有两个极点，该特性用于确定电路的稳定性。

在这个应用电路中，对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围。一般而言，输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值，而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压以下0.3V的共模范围。由于同相输入端接地，此类性能非常适合于本应用领域。当放大器对地的负载电阻为小于RF /10时，则单电源放大器的输出摆幅可最优化。如果采用这种方法，最坏情况下放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的0.5%。