ZHDA051 December 2025 OPA2596 , OPA596 , OPA818
简介
雪崩光电二极管 (APD) 是将光子（光）转换成电流的光学检测器。与传统光电二极管相比，APD 具有较快的响应速度和提供更高增益的能力，因此常用于高速光学检测电路。APD 的一个挑战是需要高电压偏置电路，其中一些电路需要高达 150V 的电压。对于许多解决方案，传统开关转换器（例如升压转换器）可直接向 APD 提供此高电压。然而，对于某些系统，偏置需要是动态的，其中偏置轨可能会为了校准目的或更改电路的增益而发生变化。对于这些情况，除开关转换器外，高压放大器还可以创建适用于动态光电二极管调整的高电压、高精度解决方案。OPA596 是动态 APD 偏置高达 80V 的理想选择，因为其静态电流低 (420µA)，转换速率快 (100V/µs)。本应用简报提供了使用 OPA596 通过 DAC 实现精密控制的两个电路示例，还提供了快速转换示例，具备基本电阻分压器方案以及 MOSFET 开关。
将 DAC 与 OPA596 用于高电容驱动
为了以高精度动态控制 APD 偏置，可以使用 DAC 创建低压偏置，然后对其进行放大以提供偏置节点所需的高电压。图 1 中示出了如何配置此配置的基本示例。在此示例中，DAC63204W 的输出连接到 OPA596，其中 OPA596 配置为反相放大器，增益为 –15。由于 DAC63204W 是电压模式 DAC，因此该器件输出的电压精度为 12 位，范围为 0V 至 4.8V（使用内部基准，GAIN = 4）。然后，DAC 信号由 OPA596 增益至 –15×DAC 输出电压。由于 APD 偏置还需要去耦电容器以更大限度地减少偏置瞬态偏移，因此 OPA596 配置为高电容驱动双反馈电路（有关如何设计双反馈电路的信息，请参阅稳定运算放大器电容性负载的三种方法和 TI 高精度实验室）。
图 1 使用 OPA596 对高压增益级进行 APD 偏置控制（电路 1）通过 OPA596 以及电阻器和 MOSFET 控制实现快速双级开关
虽然 DAC 电路由于低电压控制信号而实施，但在 OPA596 上使用增益为 –15 的反相配置可限制系统的带宽。在反相增益为–15 的情况下，电路的噪声增益为 16（请参阅运算放大器稳定性理论和补偿），这意味着闭环带宽除以放大器增益带宽积中的因素 16。在这种情况下，放大器输出的上升/下降时间限制在大约 0.35 除以闭环带宽（请参阅运算放大器压摆率精密实验室视频）。如果需要更快的开关速度，则需要为放大器配置较低的增益。
图 2 展示了一个电路，当放大器配置为单位增益时，该电路可用于在两个不同的偏置电压电平之间切换。这些电阻器用于设置两个不同的电平，并通过 BSS84 等小信号 PMOS 器件实现基准电压的调制。在此配置中，电阻分压器电路提供的电压可以借助极小的容性负载而快速转换。由于 OPA596 配置为单位增益双反馈电路，因此放大器仍可提供快速瞬态响应，使用 OPA596 的快速压摆率转换至每个电压电平。
图 2 APD 偏置双电平开关（电路 2）对每个电路的模拟显示，从 -60V 到 -40V 的瞬态，速度更快的电路上稳定为 5.3µs 0.1%，而图 1 中的电路上为 13.4µs。
图 3 TINA 中 APD 偏置电压的仿真结果| 黄色：OPA596 输出（电路 1） | ||
| 红色：同相输入（电路 2） | ||
| 绿色：OPA596 输出（电路 2） |
图 4 测量结果：电路 1| 黄色：使用波形发生器生成的仿真 DAC 输出电压 | ||
| 紫色：OPA596 输出电压 |
图 5 测量结果电路 2| 黄色：BSS84 处的栅极电压 | ||
| 紫色：OPA596 输出电压 |
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