Включение фотодиода схема: Схемы включения фотодиодов

Схемы включения фотодиодов

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь. Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени. В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением. Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Схемы включения фотодиодов
• Схема включения фотодиода
• Фотодиоды свойства, схемы включения, применение
• Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП
• Open Library — открытая библиотека учебной информации. Схема включения фотодиода
• 58. Фотодиод, устройство, принцип действия, схема включения.

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: 🌑 ФОТОДАТЧИК на ФОТОРЕЗИСТОРЕ

Схемы включения фотодиодов

Фотодиоды свойства, схемы включения, применение. На рис. Уравнение, определяющее световые и вольт-амперные характеристики фотогальванических элементов, может быть представлено в следующем виде:. A — коэффициент, зависящий от материала фотоэлемента и имеющий значение от 1 до 4 для германиевых фотодиодов он равен 1 ;. Вольт-амперная характеристика фотодиода. Квадрант I-это нерабочая область для фотодиода, в этом режиме фотоуправление током через диод невозможно. Если цель разомкнута, то концентрация электронов в n-области и дырок в p-области увеличивается, поле объемного заряда атомов примеси в переходе частично компенсируется и потенциальный барьер снижается.

Это снижение происходит на величину фотоЭДС, называемую напряжением холостого хода фотодиода Uxx. При заданном значении тока по ВАХ ФД можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода, при котором в нагрузку будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Как видно из рис. Характеристики ФД в сильной степени зависят от температуры. Для кремниевых ФД Uxx падает на 2. Световые характеристики фотодиода. Квадрант III-это фотодиодная область работы ФД, при которой к p-n переходу прикладывается обратное напряжение рис. Фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно, то есть через них протекает один и тот же ток. Этот ток можно определить по точке пересечения ВАХ фотодиода и нагрузочного сопротивления.

Информатика и выч. Скачать файл. Унифицированные сигналы ИП 3. Назначение обратных ИП 1. Световые характеристики фотодиода Квадрант III-это фотодиодная область работы ФД, при которой к p-n переходу прикладывается обратное напряжение рис.

Назначение обратных ИП. Уважаемый посетитель! Чтобы распечатать файл, скачайте его в формате Word. Ссылка на скачивание — внизу страницы.

Схема включения фотодиода

Добавить в избранное. Ру — Все права защищены. Публикации схем являются собственностью автора. Схема устройств на фотодиоде. Категория: Другие , Управление устройствами Фотодиоды применяются в различных устройствах автоматики, в системах дистанционного управления.

Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен – в обратном направлении по.

Фотодиоды свойства, схемы включения, применение

Схема включения фотодиода приведена на рис. При отсутствии светового потока в цепи проходит небольшой тем-новой обратный ток. При освещении фотодиода ток резко возрастает. Напряжение источника питания приложено к фотодиоду в обратном направлении. Схема включения фотодиода показана на рис. Последовательно с диодом включаются нагрузочный резистор и источник обратного напряжения. При отсутствии света через диод протекает темновой ток, обусловленный перемещением неосновных носителей заряда. Па рис.

Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

Полупроводниковые диоды формируют, как известно, посредством локального легирования полупроводника, так чтобы образовался т. Электрический ток через такую структуру может свободно протекать только в «прямом» направлении — от «анода» область -типа к «катоду» область -типа. Известно следующее теоретическое выражение , описывающее вольтамперную характеристику ВАХ диода , то есть зависимость протекающего сквозь него тока от приложенного напряжения: 9. Из формулы 9.

Схема включения фотодиода.

Open Library — открытая библиотека учебной информации. Схема включения фотодиода

Предлагаемая схема включения фотодиодов отличается тем, что последовательно с рабочим освен 1 аемым фотодиодом в качестве его нагрузки включен неосвещаемый фотодиод, При условии, что темновой ток неосвещаемого фотодиода во всем рабочем диапазоне температур больше темнового тока рабочего фотодиода, описываемая схема позволяет увеличить отношение полезного сигнала к помехе. Опрашивающие импульсы генерв 1 тора 1 сы. Генератор 1 опрашивающих импульсов синхронизи. Амплитуда опрашивающих импульсов не должна превышать максимально-допустимого напряжения на фотодиоде. В качестве нагрузочного сопротивления рабочего фотодиода 2 последовательно с ним включен неосвещаемый фотодиод 4, темновой ток которого больше темнового тока рабочего фотодиода во всем диапазоне рабочих температур,Если какой-либо из рабочих фотодиодов 2 неосвещен отсутствует отверстие в перфоленте , то, при условии, что темновой ток рабочего фотодиода меньше темнового тока нагрузочного неосвещаемого фото- диода 4, напряжение на выходе 5 равное падению напряжения на нагрузочном фотодиоде 4 незначительно отличается от нуля. Если рабочий фотодиод 2 освещен, то, при условии, что сумма темнового тока и фототока рабочего фотодиода больше темнового тока нагрузочного фотодиода, напряжение на выходе схемы.

58. Фотодиод, устройство, принцип действия, схема включения.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением. Схема включения фотодиода ФД в каскад с общей базой. За пять минут купить диплом института реально на нашем сайте. Визовый центр Индии. Электромагнитные муфты для станков. О клубе.

1. Фотодиоды свойства, схемы включения, применение. 2. Унифицированные сигналы ИП. 3. Назначение обратных ИП. 1. Фотодиоды свойства.

Умный человек сказал, что нужно использовать сначала посвторитель, а потом ОУ. Зачем, я никак не могу понять. Может кто поскажет? Может чего нужно еще.

Этот эффект иногда используется в стабилизаторах напряжения, когда требуется получить стабильное напряжение в диапазоне 1,5…2,5 В см. Рабочий ток указывается в справочниках. Длительное превышение рабочего тока приводит неисправности светодиода. Светодиоды бывают разных цветов и типов. Они могут испускать как видимое излучение, так и инфракрасное ИК-излучение. Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза.

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода Отличие состоит в том, что его p-n-переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны рис.

By rabit , December 16, in Начинающим. В общем захотелсь поэкспериментировать со схемой. Потом решил переделать схему:поставил базовый делитель Так как его включить? Мы принимаем формат Sprint-Layout 6! Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6.

На рис. Элементы и образуют входной импеданс усилителя. Изменяющаяся во времени падающая оптическая мощность вызывает изменяющийся ток и напряжение на входе усилителя. Типичная переходная характеристика при длительности оптического импульса

Фотодиод схема включения

Полупроводниковые диоды формируют, как известно, посредством локального легирования полупроводника, так чтобы образовался т. Электрический ток через такую структуру может свободно протекать только в «прямом» направлении — от «анода» область -типа к «катоду» область -типа. Известно следующее теоретическое выражение , описывающее вольтамперную характеристику ВАХ диода , то есть зависимость протекающего сквозь него тока от приложенного напряжения: 9. Из формулы 9. А если зафиксировать пропускаемый ток например, с помощью схемы источника тока , то напряжение на прямо смещенном — -переходе, почти линейно возрастает с повышением температуры.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Справочник химика 21
• Схема включения фотодиодов
• Схемы включения фотодиодов
• 58. Фотодиод, устройство, принцип действия, схема включения.
• Open Library — открытая библиотека учебной информации. Схема включения фотодиода
• Обозначение на схемах

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Простой фотодатчик своими руками

Справочник химика 21

На рис. Элементы и образуют входной импеданс усилителя. Изменяющаяся во времени падающая оптическая мощность вызывает изменяющийся ток и напряжение на входе усилителя. Типичная переходная характеристика при длительности оптического импульса Ее вид зависит от трех факторов: постоянной времени диода и его нагрузки; переходного времени, которое определяется дрейфом носителей через обедненный слой; задержкой, которая определяется диффузией носителей, рождающихся снаружи обедненного слоя.

Обсудим каждый из этих факторов. Схема включения фотодиода Рис. Типичная характеристика фотодиода Постоянная времени схемы Эквивалентная схема диода показана на рис. Предполагаем, что ток диода поступает на нагрузку из и которая представляет собой входной импеданс усилителя. Кроме того, распределенная паразитная емкость и сопротивление смещения также шунтируют выход диода.

Тогда фотодиод и его нагрузка могут быть представлены схемой, показанной на рис. Здесь учтено, что и объединены параллельно соединенные элементы. Обычно в и много меньше, чем поэтому и При изменении фототока напряжение на нагрузке будет изменяться с запаздыванием, которое определяется постоянной времени Если фототок меняется синусоидально с угловой частотой то напряжение определяется формулой Для получения хорошей частотной характеристики нужно по возможности снизить С.

Емкостная составляющая фотодиода обычно не Рис. Эквивалентная схема смещенного фотодиода и усилителя для приема слабого сигнала: а полная схема; упрощенная схема, полученная в результате пренебрежения величиной и объединения параллельно соединенных элементов превышает После этого необходимо либо уменьшить либо применить высокочастотную коррекцию. Сравнение этих двух методов будет роведено в гл.

Переходное время На высоких частотах изменения фототока не успевают за изменениями модулированного оптического излучения. Рассмотрим движение носителей в области дрейфа.

В электрическом поле родившиеся носители достигают средней дрейфовой скорости за очень короткое время — обычно доли пикосекунды. В низких полях дрейфовая скорость пропорциональна напряженности поля но по мере роста напряженности достигается насыщение скорости дрейфа. Поле насыщения обычно составляет около На рис.

Будем считать, что поле смещения фотодиода достаточно велико, чтобы поддерживать насыщение скорости носителей в дрейфовой области см. Смысл этого допущения при напряжении смещения и концентрации примесей в области дрейфа следующий. Ясно, что мы требуем Так, для кремниевого диода с дрейфовой областью 50 мкм напряжение смещения должно превышать.

В соответствии с 7. Зависимость скорости дрейфа носителей от напряженности электрического поля, показывающая, что при высокой напряженности наблюдается насыщение. Должно быть понятно, что скорость дрейфа снижается при увеличении степени легирования или при высокой концентрации дефектов, а также с ростом температуры -переходе. При этом обеспечивается насыщение скорости носителей во всей области Тогда а при согласно формуле Необходимое напряжение составляет 62,5 В.

Чтобы обсудить действие переходного времени, предположим, что импульс оптической мощности создает N электрон-дырочных пар на -краю обедненной области. Дырки сразу же собираются -материалом, в то время как электроны дрейфуют через обедненный слой за время которое зависит от электронной скорости насыщения: где размер обедненной области. Затем они собираются -слоем. Движение заряда вызывает ток. Общий переносимый заряд есть так что Для как показано на рис.

Если носители рождаются на -краю обедненного слоя, переходное время и ток определяются скоростью насыщения дырок, как показано на рис. Рассмотрим теперь, что произойдет, если электрон-дырочные пары будут рождаться в середине обедненного слоя. Электроны дают вклад в ток за время а дырки дают вклад в ток за время где скорость насыщения для дырок. Аналогичные соображения можно привести и для носителей, рождаемых в любом месте обедненного слоя.

Когда рождение носителей однородно по всей области, ожидается треугольная характеристика, показанная на рис. Расчет, учитывающий экспоненциальное затухание оптической мощности и, следовательно, скорости рождения носителей, дает импульсную характеристику, приведенную на Рис. Теоретические импульсные характеристики при различных условиях освещения: а — когда электрон-дырочные пары рождаются только в -области обеднеииого слоя; б — когда электрон-дырочиые пары рсждаются только в -областн обедненного слоя; в — однородное рождение носителей; г — рождение носителей экспоненциально меняется по обеднеииому слою рис.

Ожидаемая полуширина импульса тока немного меньше времени пересечения электронами обедненного слоя. Для кремниевого диод при время нс. Диффузия носителей в обедненном слое расширяет импульсную характеристику до времени рекомбинации. Оно едва ли будет менее 10 не. Рассмотрим, как переходное время влияет на характеристику диода при синусоидальной модуляции оптического излучения где коэффициент модуляции.

Проведем формальный анализ для простого случая, когда носители рождаются только у -края обедненного слоя, т. Положим, скорость рождения носителей Эти носители электроны дрейфуют через обедненный слой со скоростью насыщения для электронов Это означает, что в элементе на расстоянии х можно ожидать появления тех электронов, которые были рождены на секунд ранее за интервал времени Это будет так что полное число будет определяться выражением где I — размер обедненной области.

Полный ток и может быть записан где сделали подстановку Ясно, что на высоких частотах характеристика падает Рис. Влияние времени переноса носителей на частотную характеристику p-i-n-фотодиода. График представляет теоретическую характеристику. Очевидно, что она является фурье-преобразоваиием от импульсной характеристики. В предыдущем примере, где 0,5 нс, модулированный ток падает в 2 раз на частоте Когда носители рождаются в обедненном слое, действуют два конкурирующих эффекта.

Дрейф дырок при их малой скорости насыщения стремится сузить полосу, но меньший путь носителей соответствует меньшему что ведет к расширению полосы. Если известны распределение носителей и их дрейфовые скорости, можно сделать подробный расчет. Ступенчатое волокно: числовая апертура и межмодовая дисперсия 2. Распространение света и межмодовая дисперсия в градиентных волокнах 2. Показатель преломления объемной среды: теория 2.

Показатель преломления материала: экспериментальные значения 2. Временная дисперсия в объемной среде 2. Передаточная характеристика волокна 2. Общая среднеквадратическая длительность импульсов 3. Поглощение 3. Рассеяние 3. Приближенное решение 6. Число мод распространения 6.

Изменение постоянной распространения 6. Межмодовая дисперсия с учетом материальной дисперсии 6. Примесные полупроводники 7. Смещенный p-n-переход 7. Полезные свойства гетеропереходов 9. Эффективность инжекции 9. Характеристики гетеропереходов 9. Ширина полосы модуляции 9. Условия работы лазера Скорости спонтанного и индуцированного излучения Влияние показателя преломления Расчет коэффициента усиления Отношение коэффициента усиления к плотности тока Рабочие примеры Полуэмпирический анализ Спектральные характеристики Ватт-амперные и вольт-амперные характеристики Частотные характеристики Гетеростру ктурные диоды и диоды с барьером Шотки Фотодиоды для длинноволнового диапазона Усилитель с высоким входным сопротивлением, или интегрирующий усилитель Усилитель с низким входным сопротивлением Точное решение для тока фотодиода Характеристики фильтра, минимизирующего межсимвольные помехи Глаз-диаграмма Вероятность ошибок для случая, когда усиленный дробовой шум соизмерим с шумом от других источников Оптимизация оптической системы связи Затухание оптического излучения в атмосфере Лазерные источники излучения на углекислом газе Фотодетекторы для более длинных волн Использование гетеродинного детектирования Перспективная оптическая система для связи в ближнем космосе Связь на большие расстояния

Схема включения фотодиодов

Предлагаемая схема включения фотодиодов отличается тем, что последовательно с рабочим освен 1 аемым фотодиодом в качестве его нагрузки включен неосвещаемый фотодиод, При условии, что темновой ток неосвещаемого фотодиода во всем рабочем диапазоне температур больше темнового тока рабочего фотодиода, описываемая схема позволяет увеличить отношение полезного сигнала к помехе. Опрашивающие импульсы генерв 1 тора 1 сы. Генератор 1 опрашивающих импульсов синхронизи. Амплитуда опрашивающих импульсов не должна превышать максимально-допустимого напряжения на фотодиоде. В качестве нагрузочного сопротивления рабочего фотодиода 2 последовательно с ним включен неосвещаемый фотодиод 4, темновой ток которого больше темнового тока рабочего фотодиода во всем диапазоне рабочих температур,Если какой-либо из рабочих фотодиодов 2 неосвещен отсутствует отверстие в перфоленте , то, при условии, что темновой ток рабочего фотодиода меньше темнового тока нагрузочного неосвещаемого фото- диода 4, напряжение на выходе 5 равное падению напряжения на нагрузочном фотодиоде 4 незначительно отличается от нуля. Если рабочий фотодиод 2 освещен, то, при условии, что сумма темнового тока и фототока рабочего фотодиода больше темнового тока нагрузочного фотодиода, напряжение на выходе схемы.

Ток фотодиодов, как правило, невелик и составляет доли – единицы мА. Поэтому успешное применение фотодиодов связано с усилением фототока.

Схемы включения фотодиодов

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода Отличие состоит в том, что его p-n-переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны рис. Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис 7. При отсутствии светового потока на границе p-n-перехода создается контактная разность потенциалов. При освещении p-n-перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т е за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p-n-перехода неосновные носители заряда n-области -дырки — переходят в p-область, а неосновные носители заряда p-области электроны — в n-область Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком I Ф Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в p-области, а электронов — в n-области Это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото ЭДС. Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении. При отсутствии светового потока под действием обратного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратной ток , который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока При освещении фотодиода кванты света выбивают электроны из валентных связей полупроводника Увеличивается поток неосновных носителей заряда через p-n-переход Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи обедненного слоя и тем больший фототок, определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод. Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием барьерная емкость p-n-перехода уменьшается Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока обратного тока p-n-перехода от температуры.

58. Фотодиод, устройство, принцип действия, схема включения.

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь. Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени. В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением. Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным. Приведенная схема рис.

На рис. Элементы и образуют входной импеданс усилителя.

Open Library — открытая библиотека учебной информации.

Схема включения фотодиода

Фото диод , работа которого основана на фотовольтаическом эффекте разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС , называется солнечным элементом. При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы n-область делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C p-n. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Основная статья: pin-диод.

Обозначение на схемах

Понятие и устройство фотодиода. Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Материалами, из которых выполняют Ф. Различают 2 режима работы Ф. В фотодиодном режиме Ф.

Фотодиоды включаются по фотогальванической схеме для работы в качестве источника ТЭДС. Схема включения фотодиодов показана на рисунке.

Фотодиод — это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

Предлагаемая схема включения фотодиодов отличается тем, что последовательно с рабочим освен 1 аемым фотодиодом в качестве его нагрузки включен неосвещаемый фотодиод, При условии, что темновой ток неосвещаемого фотодиода во всем рабочем диапазоне температур больше темнового тока рабочего фотодиода, описываемая схема позволяет увеличить отношение полезного сигнала к помехе. Опрашивающие импульсы генерв 1 тора 1 сы. Генератор 1 опрашивающих импульсов синхронизи. Амплитуда опрашивающих импульсов не должна превышать максимально-допустимого напряжения на фотодиоде.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением. Схема включения фотодиода ФД в каскад с общей базой.

By rabit , December 16, in Начинающим. В общем захотелсь поэкспериментировать со схемой. Потом решил переделать схему:поставил базовый делитель Так как его включить? Мы принимаем формат Sprint-Layout 6! Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6. Конденсаторы Panasonic.

Фотодиод типа APD avalanche photo diode представляет собой p-i-n диод с усилением. На рисунке 1. Главным отличием ЛФД от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала.

Оптимизация схемы прецизионного фотодиодного датчика

по
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 одна проблема заключается в разработке схемы и компоновки для минимизации внешних путей утечки, которые могут ухудшить характеристики вашего операционного усилителя с низким 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 9.0042 L в защитную трассу, 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 ваш 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.

использованная литература

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». Аналог Диалог, Том 47. Выпуск 5, 2013.

Лист данных ADA4817.

Джонсон, Марк. Фотообнаружение и измерение: максимальная производительность оптических систем. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 2003.

Автор

Луис Ороско

Луис Ороско (Luis Orozco) — инженер по системным приложениям в промышленном и контрольно-измерительном сегменте ADI. Он специализируется на прецизионном приборостроении, химическом анализе и мониторинге окружающей среды. Луис присоединился к ADI в феврале 2011 года.

Отсутствует

отсутствует