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艱難的工作，除非您對您的光電系統(tǒng)進(jìn)行擴展，使用兩個光電二極管。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)測其輸出信號之間的差異，您可以使用兩個光電二極管來確定某盞燈的位置。如果您在差動光電二極管放大器配置中使用三個運算放大器（請參見圖1），您就會在您的電路中更精確地看到相似和差異。

圖1 差動輸入降低了共模誤差，同時使用了兩個光電二極管（D1 和D2）信號的差異。

     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 形成一個差動放大器，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。請注意，A₁ 和A₂ 的輸出電壓同時包括差動和共模信號。A₃　抑制共模信號，并向V_OUT　的電路輸出提供差動電壓信號。

      運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。您會發(fā)現(xiàn)，A₁ 和A₂ 要求低輸入電流CMOS 或者FET 運算放大器。

        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，來實現(xiàn)差動放大器（有時稱作差分放大器）。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，則在兩個輸入信號之間就會存在明顯的增益誤差。通過使用一個電位計代替四個電阻器中的任何一個，您就可以很容易地對這種誤差進(jìn)行補償。但更重要的是，兩個輸入的共模電壓變化時，這種錯配會在系統(tǒng)中引起非線性。您可以將輸入信號的共模電壓定義為(V_{A1_OUT} + V_{A2_OUT})/2。理想情況下，差動放大器會抑制共模電壓變化。電阻器錯配帶來的共模抑制(CMR) 誤差計算結(jié)果如下：

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

     請注意，兩個光電二極管的相同照明度讓V_OUT 等于零伏。D₁ 和D₂ 對照明強度的線性響應(yīng)，使V_OUT 的大小變?yōu)閷₁ 和D₂ 上直接光照之間差異的直接測量。

    一個單光電二極管通過二極管輸出信號的大小，提供一定的光強度測量。但是，各種背景光會影響這種信號的大小，從而要求經(jīng)過校準(zhǔn)的、不切實際的測量條件。增加第二個匹配光電二極管，對兩個二極管輸出之間的差異進(jìn)行監(jiān)測，可以消除兩個二極管產(chǎn)生的相同偏差。幸運的是，背景光只給光電二極管的輸出增加一個偏差，而差動放大器可以消除這種影響。

參考文獻(xiàn)：

• 《利用運算放大器進(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放大器》，PDS-617G。TI，1993 年8 月。