前段時間在TI的一篇關于單電源PD放大電路文檔中，看到了它必須要加偏置電壓的描述，參見圖1。當時不太明白這樣做的原因，這里進行仿真看下有無偏置電壓會有多大的影響。

圖1 TI文檔中的單電源PD放大電路中一定要有的偏置電壓

查到有資料說，這跟運放的恢復時間有關。任何運放的輸出都不可能完全與電源軌重合，即使宣稱是軌對軌輸出的運放，比如AD8065；參見圖2、圖3。回過頭看圖1，假如沒有偏置電壓，即同相輸入端直接接地，當PD沒有光輸入的時候它輸出的電流IPD=0（實際上完全無光情況下PD也會有暗電流的，但很小、一般為pA級別，所以可以忽略），那么運放此時應該輸出0V。

在圖3中可以看到，它在單電源5V供電下，是不可能輸出0V的。那么會發生什么情況呢？答案是運放輸出會飽和的。 一旦運放進入飽和區，重新回到線性區是需要一定時間的，這個時間叫作“恢復時間” 。

圖2 宣稱軌對軌輸出的運放AD8065

圖3 單電源5V供電下AD8065的輸出范圍，并不會與電源軌道重合

這在PD測粒子的應用中可能是不被接受的。假如PD大部分時間都在無光情況下，突然來了一個光脈沖，由于恢復時間的影響，電路表現得就像帶寬不夠一樣，波形會失真。

我們可以仿真看一下。仿真電路參見圖5，電路設置的帶寬為159Khz，根據公式可以計算出在這個帶寬下最高允許的上升時間tr。公式為0.35/f（Hz）=tr（s），代入后得到tr為2.2us。因為這個公式假設運放為二階系統，實際上運放并不是這樣，所以預留一些裕量，我這里設置的輸入信號tr為3.2us。電流波形參數設置參見圖4，仿真電路為圖5。

圖4 仿真電路設置的tr為4us（0.1~0.9），電流從0uA到10uA

圖5 單電源PD仿真電路（調整V2大小對比測試）

注意，仿真電路前一定要先看下頻域響應以確認電路功能是否正確，比如有的線沒有連接好，仿真軟件是不會報錯的。我這里頻域仿真時就出問題了，帶寬并不是我設置的159Khz，只有約25Khz。后來發現是因為圖5中給PD建模中用到的二極管的緣故，去掉它才可以。實際中為PD建模，用的二極管為理想二極管。 仿真發現有無偏置電壓、偏置電壓大小，在頻域仿真的時候就有差別了，參見表1 。

表1 不同偏置電壓下的直流增益和截止頻率

好啦，可以開始仿真看結果了。我們來對比下有無偏置偏壓時輸出信號是否會存在差別，這里對比的是0V偏置電壓和0.5V偏置電壓，因為偏置在后者電壓時，頻域響應才是正常的。而0V是最不正常的。

表2 不同偏置電壓輸出波形對比

圖6 0V偏置電壓情況下的輸出波形

圖7 0.5V偏置電壓情況下的輸出波形，tr為3.89us

最后，單電源PD放大電路應用，一定要加一個偏置電壓，否則高頻應用時會表現為帶寬不夠，造成失真。到時提前仿真看看效果是個不錯的注意。