一種基于運放用作比較器的高速光電探測電路的設計與實現

陳巧霞+++劉宏華

摘 要：從運算放大器和比較器的工作特點出發，結合實際應用，設計了一款基于運算放大器用作比較器的光電探測電路，該電路采用一級放大，閾值比較通過運算放大器實現。試驗結果表明，該電路在滿足指標要求的同時，節約了成本。

關鍵詞：電壓比較器；運算放大器；閾值比較

1 前言

比較器是一種帶有反相和同相兩個輸入端以及一個輸出端的器件，該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間，運算放大器亦是如此。

比較器具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制的特點。運算放大器亦是如此。

運算放大器有如此多相似之處，但我們卻不能忽略他們的細微差別。

比較器擁有邏輯輸出端，可顯示兩個輸入端中哪個電位更高。如果其輸出端可兼容TTL或CMOS，則比較器的輸出始終為正負電源的軌之一，或者在兩軌間進行快速變遷。比較器設計用于開環系統，用于驅動邏輯電路，用于高速工作，即使過載亦是如此。

運算放大器有一個模擬輸出端，但輸出電壓不靠近兩個供電軌，而是位于兩者之間。這種器件設計用于各種閉環應用，來自輸出端的反饋進入輸入端。其偏置電流通常低于比較器，而且成本更低。運算放大器設計用于閉環系統，用于驅動簡單的電阻性或電抗性負載，而且不能過載至飽和狀態。

正是這些細微差別，比較器和運算放大器大多數時候會被區別對待，分別實現不同的功能。但若稍作改變，利用他們的相似之處，又可以解決一些實際問題。文章就運放OPA699同時作為運算放大器和電壓比較器進行接收電路設計，討論，并通過試驗結果進行現象分析。

2 光電探測電路原理

如圖1所示為光電探測電路原理圖，光電探測器通過偏置電路將接收到的光脈沖信號轉換為電壓脈沖信號，輸入到放大電路，經過一級放大和整形等操作，輸入到信號處理單元。

圖1 光電探測電路原理框圖

3 電路各部分設計及功能實現

3.1 光電探測器及偏置電路設計

光電探測器將光信號轉換為電信號，一般在設計中主要考慮響應度，響應時間，光譜響應范圍等參數。此設計中采用普通的硅PIN光電二極管，反向偏置電壓為5v，其在反偏電壓下工作電路如圖2：

圖2 光電探測器及偏置電路

3.2 放大電路設計及功能實現

3.2.1 放大電路設計

經光電二極管接收、轉換的信號，其幅度和信號比不足以滿足信號處理的要求，為了得到足夠的放大倍數和更高的信噪比，還需要進行信號的再放大。放大電路如圖3所示：

放大電路放大經光電二極管光電轉換之后的電信號，考慮到運算放大器的放大倍數基本由電阻決定，受溫度影響較小，在放大電路中選取TI生產的電壓反饋限幅運算放大器OPA699的組成所需的放大電路。OPA699的-3dB帶寬為1000MHz，壓擺率為1400v/？滋S，噪聲為4.1nV/，是一款高速低噪聲運算放大器，滿足基本的脈沖信號的放大需求。

運算放大器是一種雙電源器件，因而必須通過采用外部元件的某種偏置將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，對于給定電源電壓，這種方法可實現最大輸入和輸出電壓擺幅。也就是說，為了避免削波現象，需使輸出電壓偏置到電源電壓的一半附近。但是若通過簡單的分壓器將同相引腳偏置到電源電壓的一半，極易引入低頻寄生振蕩或其他形式的不穩定現象。

該放大電路采用同相比例運算電路，進行單電源固定增益的放大，增益系數由R30/R29決定，本設計中設定放大倍數為5。

本設計中通過電容C34在分壓器的抽頭點設置旁路，用以處理交流信號。電阻R26為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。在本電路中，采用R27和R28組成的分壓器，該網絡的-3dB帶寬由R27、R28和C34構成，如設定R27/R28為2.4kHz/2.4kHz，C34電容值為0.1uF，則：

此設計對于1.33kHz以下的電源上存在的噪聲信號可以抑制掉。對于電容C34，若取值足夠大，能夠對分壓器電路通帶帶寬內所有頻率起到旁路的功能。該網絡設置有效法則是將極點設為-3dB輸入帶寬的十分之一。

3.2.2 放大電路功能實現情況

輸入脈寬為10ns的激光脈沖信號后，放大電路輸入信號和輸出信號情況如圖4所示。

由圖4可以看到，此電路能正常實現信號放大的，完全起到了放大高速微弱信號的作用。

3.3 閾值比較電路及電路實現情況

3.3.1 閾值比較電路

本設計中，閾值比較電路通過電壓反饋運算放大器OPA699作為電壓比較器實現，具體電路設計如圖5所示：

高輸入阻抗運算放大器OPA699作為比較器亦通過單電源實現，R33和R35實現將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，R34則提供閾值電壓參考值，根據實際需要，此處設置閾值為200mV。電阻R32為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。

3.3.2 閾值比較電路工作情況

窄脈沖激光信號經放大輸出進入比較器，經閾值比較后輸出TTL脈沖信號，通過判別前沿獲取時間信息，放大電路輸出和閾值比較電路輸出的輸出波形如圖6所示：

由圖6可以看到，實現閾值比較功能的運算放大器OPA699能夠對脈寬為10ns的快速信號進行閾值判別，完全能夠滿足實際應用需要。

4 結束語

該電路中，單電源供電方式設計的放大電路有效解決了信號放大的問題，方便后續電路的處理；閾值比較電路能進一步得到足夠放大倍數的信號，有效地去除噪聲，提高信噪比，為后續進行信號處理提供了保證，也就是說，此類應用中，尤其對供電方式要求單一的應用中，將運算放大器用作比較器是一種可行的設計選擇。

運算放大器不但有單運放封裝，同時提供雙運放或四運放型號，這類雙核和四核型號比兩個或四個獨立運算器便宜，而且占用電路板面積更小，進一步節省了成本。另外，比較器專門針對干凈快速的切換而設計，因此其直流參數往往趕不上許多運算放大器。因而，在要求低輸入失調電壓和低輸入偏置電流等的應用中，將運算放大器用作比較器可能比較方便。

但是用作比較器的運算放大器沒有負反饋，因此其開環增益非常高。躍變期間，哪怕是極少量的正反饋也可能激發振蕩。反饋可能來自輸出與同相輸入之間的雜散電容，也可能來自共地阻抗中存在的輸出電流。雖然通過設計布局降低雜散電容等方法進行補償，但不穩定性的確是隱形存在的“不定時炸彈”。另外，將運算放大器用作比較器時，受飽和影響，其反應速度低于期望水平，如果高速非常重要，將運算放大器用作比較器可能達不到預期效果。

總之，文章提供了一種可行的光電探測電路的設計手段，在實際應用時，必須了解相關知識，以確保所選運算放大器能達到要求的性能。

參考文獻

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].第三版.高等教育出版社，2003.

[2]TEXAS INSTRUMENTS，Inc OPA699 Datasheet[Z].2012

[3]何希才（譯）.運算放大器應用電路設計[M].科學出版社，2004

[4]姚劍清（譯）.運算放大器權威指南[M].第三版.人民郵電出版社， 2013.

作者簡介：陳巧霞（1982，9-），漢，河南許昌人，碩士研究生畢業，目前在中國電科第二十七研究所從事光電探測技術研究。

摘 要：從運算放大器和比較器的工作特點出發，結合實際應用，設計了一款基于運算放大器用作比較器的光電探測電路，該電路采用一級放大，閾值比較通過運算放大器實現。試驗結果表明，該電路在滿足指標要求的同時，節約了成本。

關鍵詞：電壓比較器；運算放大器；閾值比較

1 前言

比較器是一種帶有反相和同相兩個輸入端以及一個輸出端的器件，該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間，運算放大器亦是如此。

比較器具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制的特點。運算放大器亦是如此。

運算放大器有如此多相似之處，但我們卻不能忽略他們的細微差別。

比較器擁有邏輯輸出端，可顯示兩個輸入端中哪個電位更高。如果其輸出端可兼容TTL或CMOS，則比較器的輸出始終為正負電源的軌之一，或者在兩軌間進行快速變遷。比較器設計用于開環系統，用于驅動邏輯電路，用于高速工作，即使過載亦是如此。

運算放大器有一個模擬輸出端，但輸出電壓不靠近兩個供電軌，而是位于兩者之間。這種器件設計用于各種閉環應用，來自輸出端的反饋進入輸入端。其偏置電流通常低于比較器，而且成本更低。運算放大器設計用于閉環系統，用于驅動簡單的電阻性或電抗性負載，而且不能過載至飽和狀態。

正是這些細微差別，比較器和運算放大器大多數時候會被區別對待，分別實現不同的功能。但若稍作改變，利用他們的相似之處，又可以解決一些實際問題。文章就運放OPA699同時作為運算放大器和電壓比較器進行接收電路設計，討論，并通過試驗結果進行現象分析。

2 光電探測電路原理

如圖1所示為光電探測電路原理圖，光電探測器通過偏置電路將接收到的光脈沖信號轉換為電壓脈沖信號，輸入到放大電路，經過一級放大和整形等操作，輸入到信號處理單元。

圖1 光電探測電路原理框圖

3 電路各部分設計及功能實現

3.1 光電探測器及偏置電路設計

光電探測器將光信號轉換為電信號，一般在設計中主要考慮響應度，響應時間，光譜響應范圍等參數。此設計中采用普通的硅PIN光電二極管，反向偏置電壓為5v，其在反偏電壓下工作電路如圖2：

圖2 光電探測器及偏置電路

3.2 放大電路設計及功能實現

3.2.1 放大電路設計

經光電二極管接收、轉換的信號，其幅度和信號比不足以滿足信號處理的要求，為了得到足夠的放大倍數和更高的信噪比，還需要進行信號的再放大。放大電路如圖3所示：

放大電路放大經光電二極管光電轉換之后的電信號，考慮到運算放大器的放大倍數基本由電阻決定，受溫度影響較小，在放大電路中選取TI生產的電壓反饋限幅運算放大器OPA699的組成所需的放大電路。OPA699的-3dB帶寬為1000MHz，壓擺率為1400v/？滋S，噪聲為4.1nV/，是一款高速低噪聲運算放大器，滿足基本的脈沖信號的放大需求。

運算放大器是一種雙電源器件，因而必須通過采用外部元件的某種偏置將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，對于給定電源電壓，這種方法可實現最大輸入和輸出電壓擺幅。也就是說，為了避免削波現象，需使輸出電壓偏置到電源電壓的一半附近。但是若通過簡單的分壓器將同相引腳偏置到電源電壓的一半，極易引入低頻寄生振蕩或其他形式的不穩定現象。

該放大電路采用同相比例運算電路，進行單電源固定增益的放大，增益系數由R30/R29決定，本設計中設定放大倍數為5。

本設計中通過電容C34在分壓器的抽頭點設置旁路，用以處理交流信號。電阻R26為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。在本電路中，采用R27和R28組成的分壓器，該網絡的-3dB帶寬由R27、R28和C34構成，如設定R27/R28為2.4kHz/2.4kHz，C34電容值為0.1uF，則：

此設計對于1.33kHz以下的電源上存在的噪聲信號可以抑制掉。對于電容C34，若取值足夠大，能夠對分壓器電路通帶帶寬內所有頻率起到旁路的功能。該網絡設置有效法則是將極點設為-3dB輸入帶寬的十分之一。

3.2.2 放大電路功能實現情況

輸入脈寬為10ns的激光脈沖信號后，放大電路輸入信號和輸出信號情況如圖4所示。

由圖4可以看到，此電路能正常實現信號放大的，完全起到了放大高速微弱信號的作用。

3.3 閾值比較電路及電路實現情況

3.3.1 閾值比較電路

本設計中，閾值比較電路通過電壓反饋運算放大器OPA699作為電壓比較器實現，具體電路設計如圖5所示：

高輸入阻抗運算放大器OPA699作為比較器亦通過單電源實現，R33和R35實現將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，R34則提供閾值電壓參考值，根據實際需要，此處設置閾值為200mV。電阻R32為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。

3.3.2 閾值比較電路工作情況

窄脈沖激光信號經放大輸出進入比較器，經閾值比較后輸出TTL脈沖信號，通過判別前沿獲取時間信息，放大電路輸出和閾值比較電路輸出的輸出波形如圖6所示：

由圖6可以看到，實現閾值比較功能的運算放大器OPA699能夠對脈寬為10ns的快速信號進行閾值判別，完全能夠滿足實際應用需要。

4 結束語

該電路中，單電源供電方式設計的放大電路有效解決了信號放大的問題，方便后續電路的處理；閾值比較電路能進一步得到足夠放大倍數的信號，有效地去除噪聲，提高信噪比，為后續進行信號處理提供了保證，也就是說，此類應用中，尤其對供電方式要求單一的應用中，將運算放大器用作比較器是一種可行的設計選擇。

運算放大器不但有單運放封裝，同時提供雙運放或四運放型號，這類雙核和四核型號比兩個或四個獨立運算器便宜，而且占用電路板面積更小，進一步節省了成本。另外，比較器專門針對干凈快速的切換而設計，因此其直流參數往往趕不上許多運算放大器。因而，在要求低輸入失調電壓和低輸入偏置電流等的應用中，將運算放大器用作比較器可能比較方便。

但是用作比較器的運算放大器沒有負反饋，因此其開環增益非常高。躍變期間，哪怕是極少量的正反饋也可能激發振蕩。反饋可能來自輸出與同相輸入之間的雜散電容，也可能來自共地阻抗中存在的輸出電流。雖然通過設計布局降低雜散電容等方法進行補償，但不穩定性的確是隱形存在的“不定時炸彈”。另外，將運算放大器用作比較器時，受飽和影響，其反應速度低于期望水平，如果高速非常重要，將運算放大器用作比較器可能達不到預期效果。

總之，文章提供了一種可行的光電探測電路的設計手段，在實際應用時，必須了解相關知識，以確保所選運算放大器能達到要求的性能。

參考文獻

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].第三版.高等教育出版社，2003.

[2]TEXAS INSTRUMENTS，Inc OPA699 Datasheet[Z].2012

[3]何希才（譯）.運算放大器應用電路設計[M].科學出版社，2004

[4]姚劍清（譯）.運算放大器權威指南[M].第三版.人民郵電出版社， 2013.

作者簡介：陳巧霞（1982，9-），漢，河南許昌人，碩士研究生畢業，目前在中國電科第二十七研究所從事光電探測技術研究。

摘 要：從運算放大器和比較器的工作特點出發，結合實際應用，設計了一款基于運算放大器用作比較器的光電探測電路，該電路采用一級放大，閾值比較通過運算放大器實現。試驗結果表明，該電路在滿足指標要求的同時，節約了成本。

關鍵詞：電壓比較器；運算放大器；閾值比較

1 前言

比較器是一種帶有反相和同相兩個輸入端以及一個輸出端的器件，該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間，運算放大器亦是如此。

比較器具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制的特點。運算放大器亦是如此。

運算放大器有如此多相似之處，但我們卻不能忽略他們的細微差別。

比較器擁有邏輯輸出端，可顯示兩個輸入端中哪個電位更高。如果其輸出端可兼容TTL或CMOS，則比較器的輸出始終為正負電源的軌之一，或者在兩軌間進行快速變遷。比較器設計用于開環系統，用于驅動邏輯電路，用于高速工作，即使過載亦是如此。

運算放大器有一個模擬輸出端，但輸出電壓不靠近兩個供電軌，而是位于兩者之間。這種器件設計用于各種閉環應用，來自輸出端的反饋進入輸入端。其偏置電流通常低于比較器，而且成本更低。運算放大器設計用于閉環系統，用于驅動簡單的電阻性或電抗性負載，而且不能過載至飽和狀態。

正是這些細微差別，比較器和運算放大器大多數時候會被區別對待，分別實現不同的功能。但若稍作改變，利用他們的相似之處，又可以解決一些實際問題。文章就運放OPA699同時作為運算放大器和電壓比較器進行接收電路設計，討論，并通過試驗結果進行現象分析。

2 光電探測電路原理

如圖1所示為光電探測電路原理圖，光電探測器通過偏置電路將接收到的光脈沖信號轉換為電壓脈沖信號，輸入到放大電路，經過一級放大和整形等操作，輸入到信號處理單元。

圖1 光電探測電路原理框圖

3 電路各部分設計及功能實現

3.1 光電探測器及偏置電路設計

光電探測器將光信號轉換為電信號，一般在設計中主要考慮響應度，響應時間，光譜響應范圍等參數。此設計中采用普通的硅PIN光電二極管，反向偏置電壓為5v，其在反偏電壓下工作電路如圖2：

圖2 光電探測器及偏置電路

3.2 放大電路設計及功能實現

3.2.1 放大電路設計

經光電二極管接收、轉換的信號，其幅度和信號比不足以滿足信號處理的要求，為了得到足夠的放大倍數和更高的信噪比，還需要進行信號的再放大。放大電路如圖3所示：

放大電路放大經光電二極管光電轉換之后的電信號，考慮到運算放大器的放大倍數基本由電阻決定，受溫度影響較小，在放大電路中選取TI生產的電壓反饋限幅運算放大器OPA699的組成所需的放大電路。OPA699的-3dB帶寬為1000MHz，壓擺率為1400v/？滋S，噪聲為4.1nV/，是一款高速低噪聲運算放大器，滿足基本的脈沖信號的放大需求。

運算放大器是一種雙電源器件，因而必須通過采用外部元件的某種偏置將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，對于給定電源電壓，這種方法可實現最大輸入和輸出電壓擺幅。也就是說，為了避免削波現象，需使輸出電壓偏置到電源電壓的一半附近。但是若通過簡單的分壓器將同相引腳偏置到電源電壓的一半，極易引入低頻寄生振蕩或其他形式的不穩定現象。

該放大電路采用同相比例運算電路，進行單電源固定增益的放大，增益系數由R30/R29決定，本設計中設定放大倍數為5。

本設計中通過電容C34在分壓器的抽頭點設置旁路，用以處理交流信號。電阻R26為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。在本電路中，采用R27和R28組成的分壓器，該網絡的-3dB帶寬由R27、R28和C34構成，如設定R27/R28為2.4kHz/2.4kHz，C34電容值為0.1uF，則：

此設計對于1.33kHz以下的電源上存在的噪聲信號可以抑制掉。對于電容C34，若取值足夠大，能夠對分壓器電路通帶帶寬內所有頻率起到旁路的功能。該網絡設置有效法則是將極點設為-3dB輸入帶寬的十分之一。

3.2.2 放大電路功能實現情況

輸入脈寬為10ns的激光脈沖信號后，放大電路輸入信號和輸出信號情況如圖4所示。

由圖4可以看到，此電路能正常實現信號放大的，完全起到了放大高速微弱信號的作用。

3.3 閾值比較電路及電路實現情況

3.3.1 閾值比較電路

本設計中，閾值比較電路通過電壓反饋運算放大器OPA699作為電壓比較器實現，具體電路設計如圖5所示：

高輸入阻抗運算放大器OPA699作為比較器亦通過單電源實現，R33和R35實現將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，R34則提供閾值電壓參考值，根據實際需要，此處設置閾值為200mV。電阻R32為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。

3.3.2 閾值比較電路工作情況

窄脈沖激光信號經放大輸出進入比較器，經閾值比較后輸出TTL脈沖信號，通過判別前沿獲取時間信息，放大電路輸出和閾值比較電路輸出的輸出波形如圖6所示：

由圖6可以看到，實現閾值比較功能的運算放大器OPA699能夠對脈寬為10ns的快速信號進行閾值判別，完全能夠滿足實際應用需要。

4 結束語

該電路中，單電源供電方式設計的放大電路有效解決了信號放大的問題，方便后續電路的處理；閾值比較電路能進一步得到足夠放大倍數的信號，有效地去除噪聲，提高信噪比，為后續進行信號處理提供了保證，也就是說，此類應用中，尤其對供電方式要求單一的應用中，將運算放大器用作比較器是一種可行的設計選擇。

運算放大器不但有單運放封裝，同時提供雙運放或四運放型號，這類雙核和四核型號比兩個或四個獨立運算器便宜，而且占用電路板面積更小，進一步節省了成本。另外，比較器專門針對干凈快速的切換而設計，因此其直流參數往往趕不上許多運算放大器。因而，在要求低輸入失調電壓和低輸入偏置電流等的應用中，將運算放大器用作比較器可能比較方便。

但是用作比較器的運算放大器沒有負反饋，因此其開環增益非常高。躍變期間，哪怕是極少量的正反饋也可能激發振蕩。反饋可能來自輸出與同相輸入之間的雜散電容，也可能來自共地阻抗中存在的輸出電流。雖然通過設計布局降低雜散電容等方法進行補償，但不穩定性的確是隱形存在的“不定時炸彈”。另外，將運算放大器用作比較器時，受飽和影響，其反應速度低于期望水平，如果高速非常重要，將運算放大器用作比較器可能達不到預期效果。

總之，文章提供了一種可行的光電探測電路的設計手段，在實際應用時，必須了解相關知識，以確保所選運算放大器能達到要求的性能。

參考文獻

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].第三版.高等教育出版社，2003.

[2]TEXAS INSTRUMENTS，Inc OPA699 Datasheet[Z].2012

[3]何希才（譯）.運算放大器應用電路設計[M].科學出版社，2004

[4]姚劍清（譯）.運算放大器權威指南[M].第三版.人民郵電出版社， 2013.

作者簡介：陳巧霞（1982，9-），漢，河南許昌人，碩士研究生畢業，目前在中國電科第二十七研究所從事光電探測技術研究。