Содержание
описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения
Обновлена: 24 Ноября 2022
1904
1
Поделиться с друзьями
|
Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.
Принцип работы фотодиодов
Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (то есть незаполненных валентных связей, проявляющих себя как носители положительного заряда, который равен заряду электрона), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.
Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.
Схема фотодиода
Режимы работы
Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.
Режим фотогенератора
Осуществляется без источника электропитания.
Режим фотопреобразования
Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.
Основные параметры
Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:
Из чего состоит фотодиод?
Разновидности фотодиодов
P-i-n
Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления.
Лавинные
Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.
С барьером Шоттки
Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.
С гетероструктурой
Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.
Области применения фотодиодов
Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.
Была ли статья полезна?Да Нет Оцените статью Что вам не понравилось? Другие материалы по темеАнатолий Мельник Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент. |
Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.
При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.
Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики
Особое место в электротехнике занимают фотодиоды, которые применяются в различных устройствах и приборах. Фотодиодом называется полупроводниковый элемент, по своим свойствам подобный простому диоду. Его обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Чаще всего в качестве фотодиода применяют полупроводниковые элементы с р-n переходом.
Фотодиоды входят в состав многих электронных устройств. Поэтому они и приобрели широкую популярность.
Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.
1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.
При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.
При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».
Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.
Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Еф». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.
Режимы работы
Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:
- Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
- Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.
В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.
КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт/м2.
При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя, источник напряжения подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.
Напряжение и ток на нагрузке Rн определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору Rн. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.
Виды фотодиодов
Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.
p – i – n фотодиод
В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.
Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 1010 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.
Лавинные фотодиоды
Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта.
Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.
1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие
Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.
В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.
Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.
Принцип действия
При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки.
Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.
Характеристики
Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.
Вольт-амперная
Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.
I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение
Световая
Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.
Спектральная
Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.
Постоянная времени
Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.
Темновое сопротивление
Это значение сопротивления диода в темноте.
Инерционность
Факторы, влияющие на эту характеристику:
- Время диффузии неравновесных носителей заряда.
- Время прохождения по р-n переходу.
- Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.
Сфера применения
Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.
Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)
Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.
Фотоприемники с несколькими элементами
Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов.
Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.
Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.
Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.
В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.
Наиболее влияющими оказались такие факторы:
- Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
- Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.
Похожие темы:
- Фоторезисторы. Виды и работа. Применение и особенности
- Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности
- Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
- Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение
Что такое фотодиод? Рабочие, V-I характеристики, области применения
Краткое описание
Что такое фотодиод?
Датчик света, преобразующий световую энергию в электрическую (напряжение или ток). Фотодиод представляет собой тип полупроводникового устройства с PN-переходом. Между p (положительным) и n (отрицательным) слоями находится внутренний слой. Фотодиод принимает световую энергию в качестве входа для генерации электрического тока.
Его также называют фотодетектором, фотодатчиком или детектором света. Фотодиод работает в режиме обратного смещения, т.е. p-сторона фотодиода подключена к отрицательной клемме батареи (или источника питания), а n-сторона к положительной клемме батареи.
Типичными фотодиодными материалами являются кремний, германий, индий-галлий-арсенид-фосфид и индий-галлий-арсенид.
Фотодиод имеет внутри оптические фильтры, встроенную линзу и поверхность. Когда площадь поверхности фотодиода увеличивается, это приводит к меньшему времени отклика. Немногие фотодиоды будут выглядеть как светоизлучающие диоды (LED). Он имеет два терминала, как показано ниже. Меньшая клемма действует как катод, а более длинная клемма действует как анод.
Символ фотодиода аналогичен символу светодиода, но стрелки указывают внутрь, а не наружу в светодиоде. На следующем изображении показан символ фотодиода.
Работа фотодиода
Обычно при освещении PN-перехода светом ковалентные связи ионизируются. При этом образуются пары дырок и электронов. Фототоки образуются за счет генерации электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары образуются, когда на диод попадают фотоны с энергией более 1,1 эВ. Когда фотон входит в обедненную область диода, он поражает атом с высокой энергией.
Это приводит к высвобождению электрона из структуры атома. После высвобождения электронов образуются свободные электроны и дырки.
Обычно электрон имеет отрицательный заряд, а дырка — положительный. Энергия истощения будет иметь встроенное электрическое поле. Благодаря этому электрическому полю электронно-дырочные пары удаляются от соединения. Следовательно, дырки движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, создавая фототок.
Интенсивность поглощения фотонов и энергия фотонов прямо пропорциональны друг другу. Когда энергия фотографий меньше, поглощение будет больше. Весь этот процесс известен как внутренний фотоэлектрический эффект.
Внутреннее возбуждение и внешнее возбуждение — это два метода, с помощью которых происходит возбуждение фотонов. Процесс собственного возбуждения происходит, когда электрон в валентной зоне возбуждается фотоном в зону проводимости.
Читайте также «Различные типы датчиков»
Режимы работы фотодиода
Фотодиод работает в трех различных режимах.
Это:
- Фотогальванический режим
- Фотопроводящий режим
- Режим лавинного диода
Давайте кратко рассмотрим эти режимы.
Фотогальванический режим
Этот режим также называется режимом нулевого смещения. Когда фотодиод работает в низкочастотных приложениях и приложениях сверхвысокого уровня освещенности, этот режим является предпочтительным. Когда фотодиод облучается вспышкой света, создается напряжение. Создаваемое напряжение будет иметь очень маленький динамический диапазон и нелинейную характеристику. Когда фотодиод сконфигурирован с OP-AMP в этом режиме, будет очень меньше изменений в зависимости от температуры.
Режим фотопроводимости
В этом режиме фотодиод работает в режиме обратного смещения. Катод будет положительным, а анод отрицательным. При увеличении обратного напряжения увеличивается и ширина обедненного слоя. Благодаря этому время отклика и емкость перехода будут уменьшены. Сравнительно этот режим работы является быстрым и производит электронный шум.
Трансимпедансные усилители используются в качестве предусилителей для фотодиодов. Режимы таких усилителей поддерживают постоянное напряжение, чтобы фотодиод работал в фотопроводящем режиме.
Режим лавинного диода
В этом режиме лавинный диод работает в условиях высокого обратного смещения. Это позволяет умножить лавинный пробой на каждую фотоэлектронно-дырочную пару. Следовательно, это создает внутреннее усиление в фотодиоде. Внутреннее усиление увеличивает отклик устройства.
Подключение фотодиода во внешней цепи
Фотодиод работает в цепи с обратным смещением. Анод подключен к земле цепи, а катод к положительному напряжению питания цепи. При освещении светом ток течет от катода к аноду.
Когда фотодиоды используются с внешними цепями, они подключаются к источнику питания в цепи. Количество тока, производимого фотодиодом, будет очень маленьким. Этого значения тока будет недостаточно для управления электронным устройством.
Поэтому, когда они подключены к внешнему источнику питания, он подает в цепь больший ток. Итак, в качестве источника питания используется аккумулятор. Источник батареи помогает увеличить текущее значение, что повышает производительность внешних устройств
V-I Характеристики фотодиода
Фотодиод работает в условиях обратного смещения. Обратные напряжения отложены по оси X в вольтах, а обратный ток отложен по оси Y в микроамперах. Обратный ток не зависит от обратного напряжения. При отсутствии светового освещения обратный ток будет практически равен нулю. Минимальное количество текущего настоящего называется темным током. Однажды, когда световая освещенность увеличивается, обратный ток также увеличивается линейно.
Применение фотодиодов
- Фотодиоды используются во многих простых повседневных приложениях. Причиной их использования является линейный отклик фотодиода на световую засветку. Когда на датчик падает больше света, он производит большой ток. Увеличение тока будет отображаться на гальванометре, подключенном к цепи.
- Фотодиоды помогают обеспечить электрическую изоляцию с помощью оптронов. Когда две изолированные цепи освещаются светом, для оптической связи цепи используются оптопары. Но цепи будут изолированы электрически. По сравнению с обычными устройствами оптопары работают быстро.
- также используются в электронике для обеспечения безопасности, например, в детекторах огня и дыма. Он также используется в телевизионных блоках.
- При использовании в камерах они действуют как фотодатчики. Он используется в сцинтилляторах, устройствах с зарядовой связью, фотопроводниках и фотоумножителях.
- Фотодиоды также широко используются в многочисленных медицинских приложениях, таких как инструменты для анализа образцов, детекторы для компьютерной томографии, а также используются в мониторах газов крови.
Увеличение тока будет отображаться на гальванометре, подключенном к цепи. Фотодиоды
Оптимизация схемы прецизионного фотодиодного датчика
к
Луис Ороско
Скачать PDF
Фотодиоды
являются одним из самых популярных типов датчиков для многих измерений на основе света.
Такие приложения, как абсорбционная и эмиссионная спектроскопия, измерение цвета, определение мутности, обнаружение газов и многое другое, полагаются на фотодиоды для точного измерения света.
Фотодиоды генерируют ток, пропорциональный свету, падающему на их активную область. В большинстве измерительных приложений используется трансимпедансный усилитель для преобразования тока фотодиода в выходное напряжение. На рис. 1 показана упрощенная схема того, как может выглядеть схема.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’&gt ;
Рис. 1. Схема простого трансимпедансного усилителя.
Эта схема управляет фотодиодом в фотогальваническом режиме, когда операционный усилитель поддерживает напряжение на фотодиоде равным 0 В.
Это наиболее распространенная конфигурация для прецизионных приложений. Кривая зависимости напряжения фотодиода от тока очень похожа на кривую обычного диода, за исключением того, что вся кривая будет смещаться вверх или вниз при изменении уровня освещенности. На рис. 2а показана типичная передаточная функция фотодиода. Рисунок 2b представляет собой увеличенное изображение передаточной функции, и оно показывает, как фотодиод выдает небольшой ток даже при отсутствии света. Этот «темновой ток» растет с увеличением обратного напряжения на фотодиоде. Большинство производителей указывают темновой ток фотодиода с обратным напряжением 10 мВ.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’&gt ;
Рис. 2. Типичная передаточная функция фотодиода.
Ток течет от катода к аноду, когда свет падает на активную область фотодиода. В идеале весь ток фотодиода протекает через резистор обратной связи на рис. 1, генерируя выходное напряжение, равное току фотодиода, умноженному на резистор обратной связи. Схема концептуально проста, но есть несколько проблем, которые вы должны решить, чтобы получить от вашей системы максимально возможную производительность.
Рекомендации по постоянному току
Первая задача — выбрать операционный усилитель с характеристиками постоянного тока, которые соответствуют требованиям вашего приложения. Большинство прецизионных приложений будут иметь низкое входное напряжение смещения в верхней части списка. Входное напряжение смещения появляется на выходе усилителя, внося свой вклад в общую ошибку системы, а в фотодиодном усилителе оно создает дополнительную ошибку. Входное напряжение смещения появляется на фотодиоде и вызывает увеличение темнового тока, что еще больше увеличивает системную ошибку смещения.
Вы можете удалить начальное смещение постоянного тока с помощью программной калибровки, связи по переменному току или их комбинации, но большие ошибки смещения уменьшают динамический диапазон системы. К счастью, существует широкий выбор операционных усилителей с входным напряжением смещения в сотни и даже десятки микровольт.
Следующей важной характеристикой постоянного тока является входной ток утечки операционного усилителя. Любой ток, поступающий на вход операционного усилителя или куда-либо еще, кроме резистора обратной связи, приводит к ошибкам измерения. Не существует операционных усилителей с нулевым входным током смещения, но некоторые входные операционные усилители на КМОП или полевых транзисторах приближаются к этому. Например, AD8615 имеет максимальный входной ток смещения 1 пА при комнатной температуре. Классический AD549 имеет максимальный входной ток смещения 60 фА, что гарантировано и протестировано на производстве. Входной ток смещения входных усилителей на полевых транзисторах увеличивается экспоненциально с ростом температуры.
Многие операционные усилители имеют характеристики для температуры 85°C или 125°C, но для тех, которые этого не делают, хорошее приближение состоит в том, что ток будет удваиваться на каждые 10 градусов повышения температуры.
Еще одной задачей является разработка схемы и компоновки для минимизации внешних путей утечки, которые могут ухудшить характеристики вашего операционного усилителя с малым входным током смещения. Наиболее распространенный путь внешней утечки — через саму печатную плату. Например, на рис. 3 показана одна из возможных компоновок схемы фотодиодного усилителя на рис. 1. Розовая дорожка — это шина +5 В, которая питает усилитель и идет к другим частям платы. Если сопротивление через плату между дорожкой +5 В и дорожкой, по которой течет ток фотодиода, составляет 5 ГОм (обозначено как R L на рис. 3), ток силой 1 нА будет течь от дорожки +5 В к усилителю. Это, очевидно, противоречит цели тщательного выбора операционного усилителя с током 1 пА для приложения.
Одним из способов минимизировать этот внешний путь утечки является увеличение сопротивления между дорожкой, по которой протекает ток фотодиода, и любыми другими дорожками. Это может быть так же просто, как добавление большого ограничителя трассировки вокруг трассы, чтобы увеличить расстояние до других трасс. Для некоторых экстремальных приложений некоторые инженеры полностью исключают разводку печатной платы и пропускают вывод фотодиода по воздуху непосредственно на входной контакт операционного усилителя.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure3.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’&gt ;
Рис. 3. Схема расположения фотодиода с путем утечки.
Еще один способ предотвратить внешнюю утечку — проложить защитную дорожку рядом с дорожкой, по которой протекает ток фотодиода, убедившись, что обе они питаются от одного и того же напряжения.
На рис. 4 показана защитная дорожка вокруг сети, по которой течет ток фотодиода. Ток утечки, вызванный дорожкой +5 В, теперь протекает через резистор R 9.0138 L в защитную дорожку, а не в усилитель. В этой схеме разница напряжений между защитной дорожкой и входной дорожкой обусловлена только входным напряжением смещения операционного усилителя, что является еще одной причиной для выбора усилителя с низким входным напряжением смещения.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure4.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’&gt ;
Рис. 4. Использование защитной трассы для уменьшения внешней утечки.
Рекомендации по переменному току
Хотя большинство приложений для прецизионных фотодиодов, как правило, имеют низкое быстродействие, нам все же необходимо убедиться, что производительность системы по переменному току достаточна для данного приложения.
Двумя основными проблемами здесь являются ширина полосы сигнала (или полоса пропускания с обратной связью) и ширина полосы шума.
Полоса пропускания обратной связи зависит от полосы пропускания усилителя без обратной связи, коэффициента усиления и общей входной емкости. Входная емкость фотодиода может широко варьироваться от нескольких пикофарад для высокоскоростных фотодиодов до нескольких тысяч пикофарад для прецизионных фотодиодов с очень большой площадью. Однако добавление емкости на вход операционного усилителя приводит к его нестабильности, если только вы не компенсируете это добавлением емкости на резисторе обратной связи. Емкость обратной связи ограничивает полосу пропускания системы с обратной связью. Вы можете использовать уравнение 1, чтобы вычислить максимально возможную полосу пропускания с обратной связью, которая даст запас по фазе в 45 градусов.
Где:
f U – частота единичного усиления усилителя.
R F — резистор обратной связи.
C IN входная емкость, в которую входит емкость диода и любые другие паразитные емкости на плате и т.д.
C M — синфазная емкость операционного усилителя.
C D — дифференциальная емкость операционного усилителя.
Например, если у вас есть приложение с емкостью фотодиода 15 пФ и трансимпедансным усилением 1 МОм, уравнение 1 предсказывает, что вам потребуется усилитель с полосой единичного усиления около 95 МГц для достижения полосы пропускания сигнала 1 МГц. Это с запасом по фазе 45°, который вызовет пики при ступенчатых изменениях сигнала. Возможно, вы захотите уменьшить пики, разработав запас по фазе 60° или выше, что потребует более быстрого усилителя. Вот почему такие компоненты, как ADA4817-1, с максимальным входным током смещения 20 пА и частотой единичного усиления около 400 МГц, хорошо подходят для фотодиодных приложений с высоким коэффициентом усиления даже при средней полосе пропускания.
Емкость фотодиода будет доминировать над общей входной емкостью в большинстве систем, но для некоторых приложений может потребоваться особая осторожность при выборе операционного усилителя с очень низкой входной емкостью. Чтобы решить эту проблему, некоторые операционные усилители доступны со специальной схемой выводов, предназначенной для уменьшения входной емкости. Например, на рис. 5 показана разводка выводов ADA4817-1, которая направляет выход операционного усилителя на контакт, расположенный рядом с инвертирующим входом.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure5.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 5’&gt ;
Рис. 5. Схема выводов ADA4817-1 оптимизирована для обеспечения низкой паразитной емкости.
Системный шум обычно является еще одной проблемой при разработке с фотодиодами.
Основной вклад в выходной шум вносят шум входного напряжения усилителя и шум Джонсона резистора обратной связи. Шум от резистора обратной связи появляется на выходе без дополнительного усиления. Если вы увеличите размер резистора для усиления тока фотодиода, увеличение шума из-за резистора усиления будет увеличиваться только на квадратный корень из увеличения значения резистора. С практической точки зрения это означает, что лучше иметь максимально возможное усиление фотодиодного усилителя, чем добавлять второй усилительный каскад, где шум будет увеличиваться линейно с усилением.
Выходной шум усилителя представляет собой произведение шума входного напряжения на коэффициент усиления шума усилителя. Шумовое усиление определяется не только резистором обратной связи, но также конденсаторами обратной связи и входными конденсаторами, поэтому оно не является постоянным по частоте. На рис. 6 показан типичный график коэффициента усиления шума усилителя в зависимости от частоты с наложенным коэффициентом усиления замкнутого контура для сравнения.
Две вещи, которые вы можете узнать из этого графика, это то, что выходной шум увеличивается на некоторых частотах, и частотный диапазон, в котором шумовые пики могут выходить за пределы полосы пропускания усилителя с обратной связью.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure6.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 6’&gt ;
Рис. 6. Шумовое усиление фотодиодного усилителя увеличивается на более высоких частотах.
Поскольку вы не можете воспользоваться этой полосой пропускания, используйте фильтр нижних частот, настроенный на полосу пропускания сигнала усилителя, чтобы уменьшить шум.
Использование программируемого усиления для расширения динамического диапазона
Поскольку шум Джонсона резистора обратной связи увеличивается пропорционально квадратному корню из сопротивления, имеет смысл иметь максимально возможное усиление в фотодиодном усилителе, а не во втором каскаде.
Вы можете сделать еще один шаг вперед, добавив к фотодиодному усилителю программируемое усиление, как показано на рис. 7.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure7.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 7’&gt ;
Рис. 7. Концепция фотодиодного усилителя с программируемым коэффициентом усиления.
Переключатель S 1 выбирает нужный путь обратной связи, чтобы можно было выбрать оптимальное усиление для различных сигналов. К сожалению, аналоговые переключатели имеют сопротивление во включенном состоянии, которое вносит ошибки усиления в нашу схему. Это сопротивление будет меняться в зависимости от приложенного напряжения, температуры и других факторов, поэтому вы должны найти способ исключить его из схемы. На рис. 8 показано, как можно использовать два набора переключателей для устранения ошибки, вызванной сопротивлением во включенном состоянии в контуре обратной связи.
В этой схеме у вас есть один переключатель внутри контура обратной связи, как на рис. 7, но вместо того, чтобы смотреть на напряжение на выходе усилителя, переключите S 2 соединяет выход схемы непосредственно с резистором усиления. Это устраняет любые ошибки усиления из-за тока, протекающего через переключатель S 1 . Одним из компромиссов при использовании этой схемы является то, что выход больше не имеет очень низкого импеданса, связанного с выходами усилителя, поскольку он включает сопротивление мультиплексора S 2 во включенном состоянии. Обычно это не представляет большой проблемы, если следующий каскад имеет вход с высоким импедансом, например, с драйвером АЦП.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure8.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 8’>
Рис.
8. Использование двух наборов переключателей снижает количество ошибок из-за дополнительного сопротивления внутри контура.
Использование модуляции и синхронного обнаружения для уменьшения шума
Многие прецизионные приложения включают измерение уровня постоянного света, поглощаемого или отраженного через образец.
В то время как некоторые приложения позволяют экранировать от любого окружающего света, многие другие системы, в основном в промышленных условиях, должны работать под воздействием окружающего света. В этом случае вы можете модулировать источник света и использовать синхронное обнаружение, чтобы отодвинуть сигнал от низкочастотного спектра, где электрические и оптические помехи самые высокие. Простейшей формой модуляции является быстрое включение и выключение источника света. В зависимости от источника света вы можете электронно модулировать его или, как в случае с некоторыми старыми инструментами, вы можете использовать механический прерыватель, чтобы блокировать свет с заданной скоростью.
Например, если вам нужно измерить поглощение света веществом для определения концентрации, вы можете отсечь источник света на частоте в несколько кГц. На рис. 9 показано, как это приводит к удалению измерения от большинства низкочастотных световых загрязнений, обычно присутствующих в большинстве сред, таких как изменения уровня окружающего освещения в зависимости от времени суток, флуоресцентные лампы 50 Гц/60 Гц и т.п. .
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -статьи/оптимизация-прецизионность-схема-фотодиода-датчика-схема/рисунок 9.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 9’>
Рисунок 9. Прерывание входного сигнала Перемещает информацию на частоту прерывания и подальше от окружающего шума.
Поскольку вы управляете частотой сигнала модуляции, вы можете использовать одни и те же часы для синхронной демодуляции принимаемого света.
Схема на рис. 10 представляет собой очень простой синхронный демодулятор. Напряжение на выходе фотодиодного усилителя связано по переменному току и затем проходит через усилитель с программируемым коэффициентом усиления +1 и –1. Переключатель усиления синхронизирован, чтобы установить усиление на +1, когда свет должен быть включен, и на -1, когда свет должен быть выключен. В идеале на выходе должно быть постоянное напряжение, соответствующее амплитуде световых импульсов. Фильтр нижних частот отклоняет любые другие сигналы, не синхронизированные с часами модуляции. Частота среза фильтра нижних частот эквивалентна ширине полосового фильтра вокруг частоты модуляции. Например, если частота модуляции 5 кГц и вы используете фильтр нижних частот с полосой пропускания 10 Гц, на выходе схемы будут пропускаться сигналы с 4,9от 9 кГц до 5,01 кГц. Уменьшение полосы пропускания фильтра нижних частот приводит к более сильному подавлению за счет более медленного времени установления.
<img src=’https://www.
analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure10.jpg?w=435 ‘ alt=’Рисунок 10’>
Рис. 10. Схема синхронного обнаружения.
Рисунок 9 также показывает дополнительное предостережение при использовании измельчения. Результирующий сигнал представляет собой не одну линию в частотной области (для чего потребовалась бы синусоида), а скорее линию на частоте прерывания и ее нечетных гармониках. Любой шум, присутствующий на нечетных гармониках частоты прерывания, появится на выходе с минимальным затуханием. Вы можете полностью устранить это, используя синусоидальную модуляцию, но это требует более сложной или дорогой схемы. Другое решение состоит в том, чтобы выбрать необычную основную частоту, гармоники которой не совпадают ни с какими известными источниками помех. Вы также можете реализовать ту же функциональность, что и на рис. 10, в прошивке. Вы можете сэмплировать прерванный световой сигнал синхронно с часами модуляции и использовать методы цифровой обработки сигнала для извлечения информации об амплитуде на интересующей частоте.
Заключение
Фотодиодные усилители являются важным строительным блоком большинства прецизионных оптических измерительных систем. Выбор правильного операционного усилителя является важным первым шагом в достижении наилучшей возможной производительности системы, а использование других методов повышения производительности, таких как использование программируемых коэффициентов усиления и синхронного обнаружения, может помочь расширить динамический диапазон и подавить шум. Если вы хотите узнать больше о схемах прецизионных фотодиодов, посетите http://instrumentation.analog.com/en/chemical-analysis/segment/im.html.
Рекомендации
CN0312 Примечание по цепи. Двухканальный колориметр с трансимпедансными усилителями с программируемым коэффициентом усиления и синхронными детекторами.
Ороско, Луис. «Усилители трансимпеданса с программируемым усилением максимизируют динамический диапазон в спектроскопических системах».
Добавить комментарий