Fototransistör transimpedans yükselteci

Tipik bir NPN fototransistörüm var. Ortak bir kolektör yapılandırmasında çalışmasını sağladım; Bu uygulama notunun şekil 2'sine bakın .

Re'nin artırılması hassasiyeti artıracak, ancak hızı azaltacaktır. Birkaç gündür fototransistörler üzerinde çalışıyorum ve bir transimpedans amplifikatörün hızdan ödün vermeden bana ek hassasiyet verebileceğini düşünüyorum, çünkü artık vericiyi yeniden yüklemeyeceğim.

Ancak, basit uygulamalar bulamıyorum. Uygulama notlarının büyük çoğunluğu fotodiyotları tanımlar. Bir fotodiyotun aksine, bir fototransistörün önyargılı olması gerekir ve fototransistörlerin kullanımını tartışan birkaç uygulama notu, transimpedans amplifikatörlerinde negatif bir bastırma voltajının var olduğunu varsayar. Tek beslemeli bir op-amp ile çalışan bir çözüme ihtiyacım var.

Transimpedans amplifikatörünün evirmeyen girişindeki sanal bir toprak, fototransistörü doğru şekilde saptırır mı? Genellikle sanal zemin VCC ve GND arasında yarı yoldadır, ancak olması gerektiğini düşünmüyorum. Fototransistör doygunluk voltajım 0.15V; VCC = 3.3V verildiğinde, bu sanal zeminin ~ 3V'de olabileceği anlamına mı geliyor?

Bu devreyi tasarlamanın daha iyi bir yolu var mı? Çıktının GND'ye mümkün olduğunca yaklaşmasını istiyorum, çünkü muhtemelen ikinci aşamalı bir amplifikatör olacak.

DÜZENLE:

Uygulama hakkında daha fazla bilgi. Işık seviyelerini hissediyorum; düşük, çok düşük ve kapalı. Ortam ışığı ile ilgili herhangi bir sorun yok, bu yüzden bu sorunun fototransistör yönüne çok fazla odaklanmamayı tercih ederim. İlgilenilen bant genişliği 1-10 kHz civarındadır. Ortak koleksiyoncu neredeyse çalışır; Re'yi istediğim bant genişliğini korurken gidebildiği kadar yükseğe çıkardım, ama yine de Re'nin yaklaşık 2 kat daha büyük olmasını istiyorum, bu da çok yavaş bir sinyale neden oluyor.

Son iki gündür fotodiyotlar ve fototransistörler ile kendime çok düşük bir ışık seviyesi projesi yapmaya çalışıyorum. Bu, kendim ve orijinal poster gibi, ışık algılayıcı olmadan ışık algılamayı sınıra iten insanlar için (0.1 mW / cm ^ 2'nin altında).

İlk alıcı modülüne baktım ve minimum ışınım tespiti, ayrık fotodiyotların ve fototransistörlerin yapabileceğinden (belki m ^ 2 yerine cm ^ 2 anlamına geliyordu) yaklaşık 10.000 kat daha fazla (daha az yetenekli) olan 0.2 mW / m ^ 2 idi. ). Her ikisi de "Elektronik Sanatı" na (ışık uu ışık başına 1 uA sayfa 996) göre gerçekten düşük ışık seviyeleri için iyi değildir, tamamen kaçak akım ve gürültü nedeniyle insan gözünün yapabileceklerine yaklaşamaz. Işık seviyeleriniz çok düşükse gerekli olabilecek fotoçoğaltıcıların kullanımını açıklar . Ancak, iyi aydınlatılmış bir odada parmaklarımdan ışık parlarken, gözümün bir osiloskopta ne tespit edemediğini görebiliyorum (PhotoDiode veya PhotoTransistor ile).

UW başına 1 uA'nın doğru olduğunu varsayarsak, bir örnek: 5 mm'lik fotodiyotlar ve fototransistörler 20 mikro m2'lik bir alana sahiptir. Böylece 1 uW / m ^ 2 (öğlen güneş ışığının 1 / 1000'i) 20 uA (Elektr Artına göre) üretecektir. [[Öğlen güneş ışığının 1 / 1000'i 1 W / m ^ 2'dir ve bu da 1 metrede 20W'lık bir ışığın yaklaşık iki katıdır (çevreleyen bir kürenin 12 m ^ 2 yüzey alanına 6W ışık çıkışı). ]]

Ancak, 880nm fototransistör veri sayfam 1W / m ^ 2'de (0.1 mW / cm ^ 2) 600 uA gösteriyor, bu rakam 30 kat daha fazla. Bu, tüm ışığın diyotun kavşağının aktif aralığı içinde olduğunu varsayar.

Sharp'ın çok daha iyi bir uygulama notu var, ancak hangi tasarımın hangi durumlar için en iyi olduğunu açıklamakta yetersiz görünüyor. Şekil 13 en çok orijinal posterin ve benim ihtiyacım olan şey için geçerlidir ve şekil 10B çok ilginçtir, ancak "yanıtı iyileştirir" ile ne anlama geldiğini bilmiyorum. http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Bir op-amp ile kullanıldığında, bir fototransistör, çok düşük ışık seviyeleri için bir fotodiyot kadar bir kazanım kadar iyi kazanma kabiliyetine sahip olmayabilir, çünkü başlangıç ​​kazancını elde etmek için "ucuz" bir yöntem kullanır (op amp yerine transistör). Ben bir JFET op amp (çok düşük giriş akımı) ile bir fotodiyot sonuçta daha az gürültü ile daha yüksek bir kazanç sağlayacaktır sanıyorum. Her durumda, en büyük optik alıcı alana sahip fotodiyot veya fototransistör, düşük ışık seviyelerini tespit etmek için en iyi yeteneğe sahip olabilir, ancak bu aynı zamanda gürültüyü ve sızıntıyı orantılı bir miktarda artırabilir ve genellikle altta yatan problemdir. Bu nedenle, bu tür bir ışık algılama için bir sınır vardır ve ideal olarak verimli fototransistörler ve fotodiyotlar, bir op amp ile kullanıldığında nihayetinde eşit derecede iyi olabilir, ancak teorik olarak fotodiyotun biraz daha iyi olduğundan şüpheleniyorum.

Çift besleme op amplifikatörü için, + Vin için yanlış bir zemin oluşturmak amacıyla voltajı bölmek üzere "düşük" değerli bir direnç çifti (10V Vcc için iki 1k, 5 mA bias almak için) kullanabilirsiniz.

Geri besleme direnci için R = 1M'yi R = 4.7M'den çok daha iyi buldum. Basit opto kitabındaki Forrest Mimms, "aşırı derecede" düşük ışık seviyeleri "için bir fototransistör veya fotodiyot yerine paralel bir 0.002uF ile 10 M kullandı (belki de bir güneş pili uygulamanız için daha iyi olurdu) kavşakları, ışığı tespit etmek için şeffaf kasalı küçük sinyal diyotları kullanmayı okuduğum gibi, bir dereceye kadar güneş pili gibi çalışmaktadır. "Fotodiyot" olarak düzenli bir 830 nm LED kullanıyorum.

Hangi 5mm optik diyotun kullandığınız lens açısı büyük bir fark yaratır. +/- 10 derece, +/- 20 dereceden kabaca 4 kat daha hassastır .... ışık kaynağı +/- 10 dereceden daha az geliyorsa. Işık kaynağı önde +/- 20 derece olan büyük bir alandırsa, o zaman önemli değil.

Aşağıdaki iki devreyi test ettim. Fototransistörün Vo'sinde 0.3V, 5 ms'lik darbeler tespit edebildim, bu da veri sayfasını okuduğum doğru ise ve 0.3uA'ya kadar doğrusal kalırsa (büyük ifs) 0.05 uW / cm ^ 2 anlamına gelir. Belki 5 uW / cm ^ 2 idi. 0.05 uW / cm ^ 2 doğruysa, kullanıma hazır 830 LED 0,5 uW / cm ^ 2 değerine düşüyordu. 1 cm dokudan (parmağım) 10 mW 830 nm ışık parlıyordum. Çalıştığım ışık seviyeleri kırmızı olsaydı, zar zor görülebileceğini biliyorum. Aşağıdaki bağlantı, çok daha düşük ışık seviyelerini gösteren bir fotodiyot ile 500 M ohm geri besleme kullanımını göstermektedir. LED'imle aynı olan fotodiyotlarının yönüne dikkat edin (çoğu internet bağlantısından geriye doğru). Bu şekilde daha iyi sonuçlar aldım.

http://www.optics.arizona.edu/palmer/OPTI400/SuppDocs/pd_char.pdf

Ayrıca ters çevrilmiş bir opamp amplifikatörü düşünüyordum. En güzel şey, çift güç kaynağı olacaktır, böylece sanal bir zemin oluşturmak için girişleri önyargılı tutmak zorunda kalmazsınız. Resim şemayı göstermektedir. Toprak referanslı pozitif bir sinyale sahip olacaksınız: daha fazla ışık = daha yüksek çıkış voltajı.

$V_{OUT} = I_{PHOTOTRANSISTOR} \times R_{FEEDBACK}$

Sadece tek bir tedarikiniz olduğundan, yarıya kadar yerleştireceğim sanal bir zemin kullanmanız gerekecek $V_{CC}$. Her iki girişe de önyargılı olmalısınız, çıktıda da bu önyargı olacaktır.

düzenlemek dd. 2012/08/15
yılında bu cevabı Alfred gösterdi fotodiyot da bunun karşısında bir gerilim düşüşü olmadan akım batacaktır. Bu, negatif kaynağa ihtiyacımız olmadığı ve tek bir tedarikin mümkün olduğu anlamına gelir:

Bunun bir RRIO (Raydan Demiryoluna G / Ç) opampı olduğundan emin olun.

düzenleme
Yukarıda ışık seviyelerini, yani analog değerleri ölçmek istediğinizi varsaydım. Ama sorunuzu hiçbir yerde yeniden okuduğunuzda bunu yapmanız mümkün değil. Hızdan bahsetmek darbe kodu alımını önermektedir. İstediğiniz buysa, sinyal neye benziyor? Dalga boyu nedir (IR veya görünür ışık?) IR alıcı modülü kullanamaz mısınız?

Gerçekten esnekliğe ihtiyacınız varsa, fototransistör yerine bir fotodiyot kullanmayı düşünün - zaten bir transimpedans amplifikatörü inşa ediyorsunuz, o zaman neden sonuna kadar gitmiyorsunuz?

Ayrıca, konuyla ilgili, düşük gürültü ve / veya yüksek hız için birçok ayrıntılı devre örneği ile harika bir kitap var .
Elektro-Optik Sistemler Kurmak: Herşeyi Çalıştırmak, Hobbs .