Как работает фотодиод и в чем его преимущества. Какие существуют основные схемы включения фотодиода. Где применяются фотодиоды в современной электронике и технике. В чем особенности выбора фотодиода для конкретной задачи.
Принцип работы фотодиода
Фотодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий световой сигнал в электрический ток. Его работа основана на внутреннем фотоэффекте:
- При попадании фотонов света на p-n переход диода образуются пары электрон-дырка
- Под действием электрического поля перехода носители заряда разделяются
- Возникает фототок, пропорциональный интенсивности падающего света
Основные преимущества фотодиодов:
- Высокая чувствительность и быстродействие
- Широкий спектральный диапазон
- Линейность характеристики
- Низкое энергопотребление
- Малые размеры
Основные схемы включения фотодиода
Существует два основных режима работы фотодиода:
Фотовольтаический (фотогальванический) режим
В этом режиме фотодиод работает без внешнего смещения как источник тока:
- Простая схема включения
- Низкий уровень шумов
- Линейная характеристика в широком диапазоне
- Малое быстродействие из-за большой емкости перехода
Фотодиодный режим
На фотодиод подается обратное смещение:
- Высокое быстродействие
- Большой динамический диапазон
- Повышенный уровень шумов
- Необходимость источника обратного смещения
Применение фотодиодов в современной электронике
Фотодиоды широко используются в различных областях техники:
- Оптическая связь и передача данных
- Измерительные приборы и датчики
- Системы автоматики и контроля
- Медицинское оборудование
- Спектральный анализ
Оптическая связь
В волоконно-оптических линиях связи фотодиоды применяются в качестве фотоприемников. Они преобразуют оптические сигналы в электрические для дальнейшей обработки. Основные требования — высокая чувствительность и быстродействие.
Измерительные приборы
Фотодиоды используются в различных измерительных устройствах:
- Люксметры
- Колориметры
- Спектрофотометры
- Оптические датчики расстояния
Особенности выбора фотодиода
При выборе фотодиода для конкретного применения необходимо учитывать следующие параметры:
- Спектральная характеристика
- Чувствительность
- Темновой ток
- Быстродействие
- Размер чувствительной площадки
Спектральная характеристика
Определяет диапазон длин волн, в котором фотодиод эффективно работает. Выбирается в зависимости от спектра регистрируемого излучения:
- Кремниевые фотодиоды — 400-1100 нм
- Германиевые — 800-1800 нм
- InGaAs — 900-1700 нм
Чувствительность
Характеризует эффективность преобразования оптического сигнала в электрический. Измеряется в А/Вт. Чем выше чувствительность, тем меньший световой поток может зарегистрировать фотодиод.
Схемы усиления сигнала фотодиода
Для усиления слабого сигнала фотодиода обычно применяют трансимпедансные усилители, преобразующие ток в напряжение. Основные схемы:
Преобразователь ток-напряжение
Простейшая схема на основе операционного усилителя:
- Высокий коэффициент преобразования
- Линейная характеристика
- Низкий уровень шумов
Дифференциальный усилитель
Применяется для компенсации темнового тока и других помех:
- Высокое подавление синфазных помех
- Улучшенное отношение сигнал/шум
- Сложность настройки
Современные тенденции в разработке фотодиодов
Основные направления развития фотодиодов:
- Повышение чувствительности и быстродействия
- Расширение спектрального диапазона
- Снижение шумов и темнового тока
- Уменьшение размеров
- Интеграция с усилителями и АЦП
Лавинные фотодиоды
Обеспечивают внутреннее усиление фототока за счет лавинного умножения носителей заряда. Преимущества:
- Сверхвысокая чувствительность
- Возможность регистрации единичных фотонов
- Быстродействие на уровне единиц пикосекунд
Многоэлементные фотодиоды
Линейки и матрицы фотодиодов позволяют получать пространственное распределение оптического сигнала. Применяются в:
- Системах технического зрения
- Спектрометрах
- Оптических энкодерах
Заключение
Фотодиоды являются ключевыми компонентами современной оптоэлектроники. Они обеспечивают высокоэффективное преобразование оптических сигналов в электрические с минимальными искажениями. Правильный выбор типа фотодиода и схемы его включения позволяет создавать высокочувствительные фотоприемные устройства для широкого спектра применений.
Эквивалентная схема фотодиода
Добавлено 2 января 2020 в 16:00
В данной статье представлена модель схемы, которая помогает нам анализировать электрическое поведение фотодиода.
Эквивалентная схема помогает нам понять и предсказать реальную работу электронного компонента. Для фотодиодов модель эквивалентной схемы является важным аналитическим инструментом, потому что простая вставка символа фотодиода в схему мало что скажет вам о сигнале, который будет генерироваться, и о том, как фотодиод будет взаимодействовать со схемой усилителя.
Эта статья – пятая в нашей серии статей о фотодиодах. Познакомьтесь с остальными, чтобы узнать о следующем:
- PN-переходы и как работает свет;
- как работают светочувствительные PN-переходы;
- режимы фотодиодов: фотопроводящий и фотоэлектрический;
- полупроводниковые технологии, используемые в фотодиодах.
Базовая эквивалентная схема фотодиода
Не все модели фотодиодов абсолютно одинаковы, но в дополнение к обычному PN-переходу, представленному символом диода, в них всегда есть следующие четыре элемента: источник тока, параллельный конденсатор, параллельный резистор и последовательный резистор.
Фототок
Идеальный источник тока (Iфд, IPD) представляет собой фототок, то есть ток, генерируемый диодом в ответ на падающий свет. Обратите внимание, что направление фототока соответствует току, который течет от катода диода к аноду диода – это хорошее напоминание о том, что фотодиоды используются с нулевым или обратным смещением, а ток, который они создают, течет в направлении, противоположном тому, что мы ожидаем от диодов с обычным прямым смещением.
Как упоминалось в предыдущей статье, для количественной оценки взаимосвязи между мощностью падающего света и фототоком мы используем чувствительность. Чувствительность типового кремниевого фотодиода колеблется от примерно 0,08 ампер на ватт (А/Вт) для ЭМИ 400 нм до 0,48 А/Вт для ЭМИ 700 нм.
Емкость перехода
Параллельный конденсатор (Cпер, CJ) представляет собой емкость перехода диода, то есть емкость, связанную с обедненной областью PN-перехода.
Емкость перехода является важным параметром, поскольку она сильно влияет на частотную характеристику фотодиода. Более низкая емкость перехода обеспечивает улучшенную работу на высоких частотах.
Вы могли видеть модели фотодиодов, в которых Cпер представляет собой переменный конденсатор. Хотя такое представление кажется менее распространенным, это вовсе не плохая идея, потому что оно напоминает нам, что емкость перехода зависит от напряжения смещения. Мы можем целенаправленно разработать фотодиодную систему с более широкой полосой пропускания, просто увеличив напряжение обратного смещения.
Рисунок 2 – Данный график, взятый из Photodiode Characteristics and Applications, опубликованного OSI Optoelectronics, демонстрирует значительное уменьшение емкости перехода, которое может быть достигнуто при работе фотодиода в фотопроводящем режимеПараллельное сопротивление
Резистор, подключенный параллельно фотодиоду, называется шунтирующим сопротивлением (Rш, RSH).
Как и в случае с источниками тока в целом, идеальная работа достигается при бесконечном Rш. С бесконечным (или, в реальной жизни, чрезвычайно высоким) шунтирующим сопротивлением источник тока передает весь свой ток нагрузке, а отношение тока к напряжению полностью определяется сопротивлением нагрузки. Когда сопротивление шунта приближается к значению сопротивления нагрузки, оно начинает более заметно влиять на отношение тока к напряжению.
У многих фотодиодов сопротивление шунта настолько велико, что в типовых приложениях оно не оказывает серьезного влияния на общую производительность. Для кремниевых фотодиодов Rш составляет десятки, сотни или даже тысячи мегаом; фотодиоды из арсенида индия-галлия также могут иметь чрезвычайно высокое шунтирующее сопротивление. Однако с германиевыми фотодиодами нужно быть более осторожным, потому что у них Rш обычно находится в диапазоне килоом, а может быть, даже в диапазоне нескольких килоом.
Сопротивление шунта также влияет на шумовые характеристики.
По мере уменьшения Rш увеличивается тепловой шум (шум Джонсона) фотодиода.
Последовательное сопротивление
Фотодиод содержит контакты, проволочные соединения и полупроводниковый материал, которые вносят вклад в последовательное сопротивление (Rпосл, RS). Это сопротивление обычно довольно низкое, например, несколько Ом или несколько десятков Ом, хотя возможны и более высокие значения.
Насколько мне известно, последовательное сопротивление обычно не является серьезной проблемой при проектировании фотодиодных систем. Однако чрезмерно высокое последовательное сопротивление может снизить линейность: фототок, проходящий через Rпосл, создает падение напряжения, которое создает прямое смещение фотодиода, который работает в схеме с нулевым смещением (смотрите рисунок ниже). Диод с прямым смещением имеет экспоненциальную зависимость тока от напряжения. Следовательно, увеличение напряжения на Rпосл снижает фототок, который достигает нагрузки, потому что он вызывает отвод части фототока на землю через сам диод, и это отклонение тока происходит нелинейным образом.
Резюме
Когда мы проектируем или анализируем схему детектирования на базе фотодиода, мы используем эквивалентную схему, которая помогает нам понять различные электрические параметры, участвующие в работе фотодиода. Обязательными элементами эквивалентной схемы фотодиода являются
- источник тока для фототока;
- диод, обозначающий PN-переход;
- конденсатор, подключенный параллельно источнику тока;
- резистор, подключенный параллельно источнику тока;
- резистор, подключенный последовательно к выходному току.
Оригинал статьи:
- Robert Keim. Understanding the Photodiode Equivalent Circuit
Теги
Тепловой шумНазад
Оглавление
Вперед
Начало работы
Рассмотрим порядок работы с нашими свето- и фотодиодами на примере измерения концентрации метана.
Метан имеет сильную полосу поглощения в области спектра 3,4 мкм, следовательно, нам нужна оптическая система, чувствительная к этой длине волны. Ниже нами будет рассмотрена одноканальная измерительная схема.
Спектр поглощения метана
1. светодиод (LED)
2. устройство для питания светодиода (драйвер)
3. фотодиод (PD)
4. устройство обработки сигнала с фотодиода
5. устройство, синхронизирующее работу светодиода и фотодиода
Общая схема системы
Спектр излучения Lms34LED при 150 mA в режиме qCW.
Для питания светодиода можно использовать драйверы, выпускаемые ООО «ЛЕД Микросенсор НТ», или внешний источник сигнала.
Мы предлагаем 4 типа драйверов:Общая схема питания светодиодов:
Для оптимальной работы светодиода мы рекомендуем использовать:
▪ квазинепрерывный режим (QCW) с коэффициентом заполнения 50% или 25% для получения максимальной средней мощности;
Жесткий непрерывный режим НЕ рекомендуется.
Подробнее о режимах работы светодиода:
Название каждого фотодиода соответствует длинноволновой границе его чувствительности и размеру чувствительной площадки. Для измерения метана требуется фотодиод, перекрывающий его полосу поглощения около 3,4 мкм и спектрально согласованный со светодиодом Lms34LED. Для этой цели мы предлагаем фотодиоды с длинноволновой границей чувствительности 3,6 мкм и размером чувствительной области 0,3/0,5 мм – Lms36PD-03/Lms36PD-05.
Ниже представлен спектр фотодиода Lms36PD-05:
Спектр фоточувствительности фотодиода Lms36PD-05
В фотодиоде происходит преобразование оптического излучения, попадающего на чувствительную площадку, в электрический ток. Возможно несколько вариантов подключения и работы фотодиода:
▪ фотовольтаический (фотогальванический) режим – фотодиод работает без внешнего обратного смещения как источник тока
▪ фотодиодный режим – на фотодиод подается внешнее обратное смещение
Ниже представлены соответствующие схемы подключения фотодиодов: Для обеспечения оптимальной работы ИК фотодиодов нашего производства и получения наиболее низкого уровня шума мы рекомендуем использовать фотовольтаический режим без внешнего смещения.
Внимание!
Схемы выше представлены для общего ознакомления. Схемы подключения и полярности для конкретных моделей фотодиода находятся в прилагающихся к приборам техническим паспортам.
Note!
Рекомендуется экранировать фотодиод и подключить землю фотодиода к общей земле используемой электроники.
Предусилитель необходим для преобразования токового сигнала фотодиода в сигнал напряжения и его усиления. Предусилители производства ООО «ЛЕД Микросенсор НТ» обеспечивают работу фотодиода без внешнего обратного смещения в фотовольтаическом режиме. Вы можете выбрать фотодиод со встроенным предусилителем — модель LmsXXPD-XX-R(W)-PA, или отдельную плату предусилителя — PAb.
Подробнее о фотодиодах с предусилителем:
Для получения более высокого соотношения сигнал/шум при использовании оптопар светодиод-фотодиод рекомендуется использовать синхронное детектирование. В этом случае фотодиод детектирует сигнал светодиода только в момент подачи на него питающего импульса, а также производится преобразование полученного импульсного сигнала в постоянный с дополнительным усилением. Для этих целей мы предлагаем синхронный детектор SDM, который синхронизирует работу светодиода с драйвером и фотодиода со встроенным предусилителем, преобразует напряжение с выхода предусилителя фотодиода в сигнал постоянного напряжения с усилением, пропорционально амплитуде входного напряжения.
Подробнее о синхронном детекторе:
При наличии всех вышеуказанных устройств можно приступать к работе.
Если используется фотодиод с отдельным предусилителем (PAb), начинайте с шага 1.
Если используется фотодиод со встроенным предусилителем, перейдите к шагу 4.
1) Пайкой соедините электроды фотодиода (анод, катод и землю) с соответствующими контактами предусилителя.
ВНИМАНИЕ
2) Соедините выход предусилителя с клеммником входа синхронного детектора SDM.
3) Соедините клеммник питания предусилителя синхронного детектора со входом питания предусилителя, переходите к шагу 6.
ВНИМАНИЕ
— Проверьте правильность соединений перед включением фотодиода.
— Не соединяйте фотодиод с мультиметром.
4) Соедините выход предусилителя с клеммником входа синхронного детектора SDM.
5) Соедините клеммник питания предусилителя синхронного детектора со входом питания предусилителя.
6) Выберите нужные значения времени усреднения и усиления сигнала синхронного детектора SDM. ВНИМАНИЕ
Подробную информацию о режимах настройки синхронного детектора см. в соответствующем руководстве по эксплуатации.
7) Тщательно соедините контакты светодиода с клеммником подключения светодиода драйвера.
ВНИМАНИЕ— Контакт клеммника, помеченный “LED +”, должен быть соединен с анодом светодиода (помечен красной точкой). Неправильное соединение приведет к выходу светодиода из строя.
8) Соедините выход синхронизации драйвера с входом синхронизации синхронного детектора SDM, либо другого синхронизируемого устройства.
9) Выберите параметры питания светодиода (длительность импульса, частоту и ток), если используется драйвер с настраиваемыми параметрами.
ВНИМАНИЕ
Подробную информацию о режимах настройки драйвера см. в соответствующем руководстве по эксплуатации.
10) Соедините клеммник сигнального выхода с устройством обработки сигналов (мультиметр, осциллограф, ПК с АЦП и т. д.).
11) Подключите адаптер питания (12В DC, стабилизированное) к драйверу и синхронному детектору, соблюдая полярность. После выполнения данных шагов на устройстве обработки сигналов появится сигнал, с которым можно работать.
Отсутствует
Отсутствует
|
:Схемы управления фотодиодами | Оптоэлектронные компоненты | Светодиоды, лазерные диоды и детекторы
Для большинства применений рекомендуется трансимпедансный (ток-напряжение) усилитель, позволяющий фотодиоду работать практически в условиях короткого замыкания, тем самым сохраняя свою линейную характеристику.
Вообще говоря, фотогальваническая схема (с нулевым смещением) используется в приложениях, где скорость не важна. Смещение фотодиода (фотопроводящий режим) увеличивает скорость, уменьшает емкость перехода и улучшает линейность фотодиода.
Резистор обратной связи следует выбирать тщательно, поскольку он влияет на выходной диапазон и полосу пропускания схемы. Перед выбором резистора необходимо учитывать минимальный/максимальный световой входной сигнал, желаемое количество декад динамического диапазона и ширину полосы пропускания. Ниже приведены формулы, полезные для проектирования схемы трансимпедансного усилителя.
Выходное напряжение (В из )
В вых | = I S R F | ||
= RP O R F | где I S = | Ток светового сигнала фотодиода | |
Р Ф = | Сопротивление обратной связи | ||
| Р = | Чувствительность на длине волны излучения, А/Вт | ||
| Р О = | Световая мощность, падающая на активную область фотодиода, Вт |
Конденсатор обратной связи (C F )
| С Ф | = 0,5 π f R F | , где f = | Максимальная рабочая частота, Гц |
| Р Ж = | Сопротивление обратной связи |
Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP)
Для обеспечения стабильности схемы на выбранной частоте и коэффициенте усиления необходимо выбрать операционный усилитель с достаточно высоким произведением коэффициента усиления на полосу пропускания.
