Как работают фотоприемники с операционными усилителями. Какие существуют схемы включения фотодиодов с ОУ. Каковы преимущества и недостатки различных схем фотоприемников. Как выбрать оптимальные параметры схемы фотоприемника.
Принцип работы фотоприемников с операционным усилителем
Фотоприемники с операционным усилителем (ОУ) позволяют эффективно преобразовывать фототок фотодиода в выходное напряжение. Основной принцип работы таких схем заключается в использовании свойств ОУ для создания виртуальной земли на инвертирующем входе. Это обеспечивает работу фотодиода практически в режиме короткого замыкания, что позволяет сохранить его линейные характеристики.
Как работает типовая схема фотоприемника с ОУ?
- Фототок от фотодиода поступает на инвертирующий вход ОУ
- За счет очень высокого коэффициента усиления ОУ на инвертирующем входе поддерживается потенциал, близкий к нулю (виртуальная земля)
- Фототок протекает через резистор обратной связи Rос
Таким образом, выходное напряжение линейно зависит от фототока, а коэффициент преобразования определяется резистором обратной связи.
Основные схемы включения фотодиодов с операционным усилителем
Существует несколько базовых схем включения фотодиодов с операционным усилителем:
1. Схема с нулевым смещением (фотогальванический режим)
В этой схеме фотодиод включен между инвертирующим входом ОУ и общим проводом без дополнительного смещения. Основные особенности:
- Минимальные темновые токи фотодиода
- Хорошая линейность преобразования при малых световых потоках
- Ограниченное быстродействие из-за большой емкости перехода фотодиода
2. Схема с обратным смещением (фотодиодный режим)
В этой схеме на фотодиод подается обратное смещение через дополнительный резистор. Ключевые преимущества:
- Повышенное быстродействие за счет уменьшения емкости перехода
- Расширенный динамический диапазон
- Улучшенная линейность при больших световых потоках
Однако при этом возрастают темновые токи фотодиода.
Выбор оптимальных параметров схемы фотоприемника
При проектировании схемы фотоприемника с ОУ необходимо учитывать ряд важных параметров:
Сопротивление обратной связи Rос
Этот резистор определяет коэффициент преобразования фототок-напряжение. Как правильно выбрать его номинал?
- Большое Rос обеспечивает высокую чувствительность, но ограничивает быстродействие
- Малое Rос позволяет достичь высокого быстродействия, но снижает чувствительность
- Оптимальное значение выбирается исходя из требуемого динамического диапазона и полосы пропускания
Емкость обратной связи Cос
Этот конденсатор необходим для обеспечения устойчивости схемы. Как определить его оптимальную емкость?
- Cос должна компенсировать входную емкость ОУ и емкость фотодиода
- Слишком большая Cос ограничивает полосу пропускания
- Слишком малая Cос может привести к самовозбуждению схемы
Типовая формула для расчета: Cос = 1 / (2π × f × Rос), где f — требуемая полоса пропускания.
Особенности выбора операционного усилителя для фотоприемника
Операционный усилитель играет ключевую роль в работе фотоприемника. На что обратить внимание при его выборе?
- Входной ток смещения — должен быть существенно меньше минимального рабочего фототока
- Напряжение смещения — влияет на точность преобразования при малых сигналах
- Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания — определяет максимальное быстродействие схемы
- Уровень шумов — критичен для детектирования слабых оптических сигналов
Оптимальный выбор ОУ позволяет достичь наилучшего соотношения чувствительности, быстродействия и точности фотоприемника.
Методы повышения быстродействия фотоприемников
Для многих применений важно обеспечить высокое быстродействие фотоприемника. Какие существуют способы его повышения?
- Использование фотодиодов с малой емкостью перехода
- Применение обратного смещения фотодиода
- Уменьшение сопротивления обратной связи Rос
- Выбор быстродействующих операционных усилителей
- Оптимизация топологии печатной платы для минимизации паразитных емкостей
При этом важно найти оптимальный баланс между быстродействием и чувствительностью схемы.
Источники шумов в фотоприемниках и методы их минимизации
Шумы ограничивают предельную чувствительность фотоприемника. Какие основные источники шумов присутствуют в схеме?
- Дробовой шум фотодиода
- Тепловой шум резистора обратной связи
- Шумы операционного усилителя (токовый шум, напряжение шума)
- Фликкер-шум (1/f шум) компонентов
Для минимизации влияния шумов применяются следующие методы:
- Охлаждение фотодиода для уменьшения темнового тока
- Выбор малошумящих операционных усилителей
- Оптимизация полосы пропускания схемы
- Применение методов модуляции оптического сигнала
Правильный учет всех источников шума позволяет спроектировать фотоприемник с максимальной чувствительностью.
Применение фотоприемников с операционными усилителями
Фотоприемники на основе фотодиодов и операционных усилителей находят широкое применение в различных областях. В каких сферах они наиболее востребованы?
- Оптическая связь — для детектирования сигналов в оптоволоконных линиях
- Спектроскопия — для измерения интенсивности оптического излучения
- Системы технического зрения — в качестве фотоприемных элементов
- Медицинская диагностика — в оптических биосенсорах
- Системы безопасности — в датчиках движения и присутствия
Широкий спектр применений обусловлен высокой чувствительностью, линейностью и быстродействием таких фотоприемников.
3.3. Фотоприемники с операционным усилителем
Сигнал фотоприемника, собранного по схеме на рис.10, обычно требует преобразования для последующей обработки и регистрации.
Причина состоит в том, что сигнал формируется на сопротивлении и зависит от его величины. Но если говорить о последующей работе с ним, то рост сопротивления удаляет нас от эквивалентной схемы источника напряжения. Последний должен иметь как можно меньшее сопротивление.
Сам фотодиод представляет собой источник тока, но тоже не идеальный. Эквивалентная схема должна содержать наряду с ним параллельно сопротивление, величина которого будет зависеть от мощности регистрируемого излучения.
Выйти из этой ситуации
позволяет схема, показанная
на рис.
11. Это базовая схема,
обычно предлагаемая для фотоприемника.
Она построена на основе операционного
усилителя и опирается на его свойства.
При этом надо иметь ввиду, что входное
сопротивление используемых для этих
целей микросхем должно быть очень
велики.
Поскольку положительный вход микросхемы соединен с землей (0 В), то и на отрицательном входе будет поддерживаться 0 В. Из-за большого входного сопротивления микросхемы сумма токов в узле, связанном с отрицательным входом микросхемы будет равна 0. Поэтому выходное напряжение U микросхемы будет выражаться формулой
U = IФ· RОС,
где RОС – сопротивление обратной связи.
Рис.11. Схема фотоприемника с отрицательным смещение на фотодиоде. Операционный усилитель AD8615 [3].
Частотные свойства фотоприемника определяются постоянной времени τ = RОС · C. В состав конденсатора следует включить не только емкость диода, но и монтажа.
Стоит обратить внимание на
то, что многие микросхемы работают и по
входу и по выходу, как rail-to-rail,
то есть в диапазоне входных и выходных
напряжений от одного питания до другого.
Кроме того, они часто ориентированы на
работу с пониженным, батарейным питанием,
что создает дополнительные удобства и
для работы, и для защиты от помех.
Если говорить о представленном схемотехническом решении в целом, то речь по сути идет о преобразовании сопротивления. Специально разработанные микросхемы решающие данную задачу получили название трансимпедансных усилителей.
Другая, часто встречающаяся схема для преобразования тока фотодиода в напряжение, приведена на рис.12. В этом случае на фотодиоде поддерживается напряжение равное 0 В. Так как темновой ток при этом компенсируется диффузным, он не влияет на регистрируемый сигнал, и наблюдается только фототок. Таким образом, данное решение позволяет устранить влияние на выходное напряжение темнового тока. Однако, как и прежде, частотные свойства фотоприемника, построенного по этой схеме, будут существенно хуже, чем у схемы на рис.11 .
Рис.12. Схема фотоприемника с нулевым напряжением на фотодиоде AD8541 [4].
Поскольку фотодиод является датчиком излучения, он и определяет исходный уровень шумов в системе регистрации.
Ток на выходе фотодиода IФ складывается из трех составляющих.
IФ = IФОН + IДЕТ + IТ ,
где IФОН – ток фонового сигнала, IДЕТ – детектируемого ток, IТ – темновой ток.
Пренебрегая фоновой засветкой, имеем только две составляющие тока. Фундаментальным источником шумов, связанным с током, является дробовый шум ( i ДР) 2.
Его величина может быть оценена из соотношения
( iДР) 2 = 2 · e · I · Δf,
где e — заряд электрона, I — ток, Δf — полоса приема.
Таким образом, в случае малого сигнала роль шумов темнового тока становится определяющей в определении чувствительности схемы.
Если ток протекает через активную нагрузку фотодиода величиной RL, к дробовому току добавляется тепловой шум
(UТ)2 = 4 · k · T · RL · Δf,
где k — постоянная
Больцмана, T— температура
Кельвина.
Наконец, надо иметь в виду, что шумы последующих за фотодиодом устройств могут быть выше шумов фотодиода, например, шум трансимпедансного усилителя, преобразующего токовый сигнал в сигнал напряжения [5].
Интерференционно-чувствительный фотоприемник — Русский
Интерференционно-чувствительный фотоприемник Разработан новый интерференционно-чувствительный фотоприемник (ИЧФ), являющийся основным оптоэлектронным компонентом интерферометров, в которых регистрация осуществляется в противоположно-направленных световых потоках. http://kirensky.ru/ru/institute/sci_equipment/pif http://kirensky.ru/@@site-logo/logo.png
Разработан новый интерференционно-чувствительный фотоприемник (ИЧФ), являющийся основным оптоэлектронным компонентом интерферометров, в которых регистрация осуществляется в противоположно-направленных световых потоках.
Возможность использования различных модификаций ИЧФ в интерферометрии, спектрометрии, голографии делают его потенциально выгодным промышленным изделием с высокой степенью конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынках.
Организация ищет инвестора для создания совместного предприятия в России или за рубежом.
Интерферометры на встречных световых потоках, имеют наиболее простые оптические схемы, содержат меньше элементов и, соответственно, проще юстируются. Однако, фотоприемники, чувствительные к пространственному положению в интерференционном поле, образованном встречными световыми потоками, не производятся серийно. В настоящее время получили распространение интерферометры (Майкельсона, Жамена, Фабри-Перо, Рождественского, Рэлея, Физо и др.), в которых регистрируются однонаправленные световые потоки традиционными фотоприемниками. Препятствием к широкому использованию простых однозеркальных интерферометров является отсутствие серийных ИЧФ. Промышленный выпуск таких фотоприемников открывает возможность создания широкого спектра новых оптоэлектронных устройств.
Описание
Многоэлементный интерференционно-чувствительный фотоприемник с ИЧ элементами, разнесенными в направлении световых лучей, имеет многофазные сигналы, что позволяет увеличить разрешение интерферометров при измерении перемещения.
Мультислойный ИЧФ является избирательным по длине волны, без применения каких-либо элементов с селективным поглощением или отражением света, с электронным управлением характеристикой фильтра. Это позволяет создать ячейки матричного приемника цветного изображения, работающие на новом принципе.
Матричный ИЧФ позволяет производить электронную запись голографического изображения. В перспективе такой ИЧФ позволит решить задачу записи цветного голографического изображения без освещения объекта монохроматическим излучением, т. е. в белом свете. Иначе говоря, ИЧФ может стать основным элементом цветной голографической видеокамеры.
Используя мультипленочный ИЧФ в качестве фотоприемника в Фурье-спектрометре, можно отказаться от механического сканирования, которое осуществляется для получения необходимой разности хода световых лучей в традиционных Фурье-спектрометрах.
Инновационные аспекты предложения:
Отличительной особенностью ИЧФ является его чувствительность к положению относительно интерференционных полос в поле встречных световых потоков.
Эффект достигается тем, что фотоэлектрический слой выполнен плоским, очень тонким (толщина меньше l/2) и прозрачным. Таким образом, фотоприемник, не нарушая интерференционного поля, является его датчиком. При нескольких слоях, расположенных на некотором оптическом расстоянии друг от друга, в направлении распространения излучения, фотоприемник имеет многофазный выходной сигнал.
Главные преимущества предложения:
На сегодняшний день отсутствует информация о промышленном производстве такого типа фотоприемников. ИЧФ на международном и отечественном рынках отсутствуют. В научных статьях есть сообщения лишь об опытных разработках интерференционно-чувствительных фотоприемников, но они имеют худшие характеристики чувствительности и быстродействия. Многослойные и матричные ИЧФ для селективного приема излучения, Фурье-спектроскопии и голографии близких аналогов вообще не имеют и могут открыть новое направление в оптоэлектронике. Работы по созданию, изучению ИЧФ в Институте физики им.
Л.В. Киренского СО РАН ведутся с 2001 г.
Технологические ключевые слова:
Интерференционно-чувствительный фотоприемник, фотоприемник стоячей волны, тонкопленочная полупроводниковая технология, фотокатод.
Текущая стадия развития:
Макет, опытный образец
Права интеллектуальной собственности:
Патенты получены
Права на патенты принадлежат Институту физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Перечень патентов:
RU 2222039
RU 2217710
RU 2227341
RU 2224331
RU 2239918
RU 2239917
RU 2243615
RU 2241280
RU 2255306
RU 2335034
RU 2234055
RU 2277222
RU 2462742
Коды рыночных применений:
Точное приборостроение, оптоэлектроника, вычислительная техника
Тип требующегося сотрудничества:
Лицензионное соглашение; Коммерческое соглашение с техническим содействием; Финансовые ресурсы
Отсутствует
Отсутствует
|
К сожалению, страница отсутствует или перемещена.
: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.
