Bộ khuếch đại transimpedance Phototransistor

Tôi có một phototransistor NPN điển hình. Tôi có nó làm việc trong một cấu hình collector chung; xem hình 2 của ứng dụng ghi chú này .

Tăng Re sẽ tăng độ nhạy, nhưng giảm tốc độ. Tôi đã nghiên cứu các phototransistors được vài ngày và tôi nghĩ rằng một bộ khuếch đại transimpedance có thể cho tôi thêm độ nhạy mà không làm giảm tốc độ, vì tôi sẽ không tải lại bộ phát nữa.

Tuy nhiên, tôi dường như không thể tìm thấy các triển khai đơn giản. Phần lớn các ghi chú ứng dụng mô tả photodiodes. Không giống như photodiode, một phototransistor cần phải được phân cực và một số lưu ý ứng dụng thảo luận về việc sử dụng phototransistors giả sử sự có mặt của điện áp phân cực âm trong các bộ khuếch đại transimpedance của chúng. Tôi cần một giải pháp hoạt động với op-amp cung cấp đơn.

Liệu một nền tảng ảo trên đầu vào không đảo ngược của bộ khuếch đại transimpedance có làm sai lệch chính xác phototransistor không? Thông thường mặt đất ảo là một nửa giữa VCC và GND, nhưng tôi không nghĩ nó phải như vậy. Điện áp bão hòa phototransistor của tôi là 0,15V; cho VCC = 3,3V, điều đó có nghĩa là mặt đất ảo của tôi có thể ở mức ~ 3V?

Có cách nào tốt hơn để thiết kế mạch này? Tôi muốn đầu ra càng gần GND càng tốt, vì có thể sẽ có bộ khuếch đại giai đoạn hai.

BIÊN TẬP:

Thêm chi tiết về ứng dụng. Tôi đang cảm nhận mức độ ánh sáng; thấp, rất thấp và tắt Không có vấn đề gì với ánh sáng xung quanh, vì vậy tôi không muốn tập trung vào khía cạnh phototransistor của câu hỏi này quá nhiều. Băng thông quan tâm là khoảng 1-10 kHz. Bộ sưu tập chung gần như hoạt động; Tôi đã tăng Re lên cao nhất có thể trong khi duy trì băng thông tôi muốn, nhưng tôi vẫn thích Re lớn hơn khoảng 2 lần dẫn đến tín hiệu quá chậm.

Tôi đã cố gắng thực hiện một dự án mức ánh sáng rất thấp trong 2 ngày qua với photodiod và phototransistors. Điều này dành cho những người như tôi và người đăng ban đầu đang đẩy phát hiện ánh sáng mà không có bộ nhân quang đến giới hạn (dưới 0,1 mW / cm ^ 2).

Tôi đã xem xét mô-đun máy thu đầu tiên và phát hiện bức xạ tối thiểu của nó là 0,2 mW / m ^ 2, gấp khoảng 10.000 lần (ít khả năng hơn) so với những gì photodiod và phototransistors rời rạc có thể làm được (có thể chúng có nghĩa là cm ^ 2 thay vì m ^ 2? ). Không phải là tốt cho mức độ ánh sáng thực sự thấp theo "Nghệ thuật Điện tử" (1 uA mỗi uW của trang 996), hoàn toàn không có khả năng đến gần những gì mắt người có thể làm do dòng rò và tiếng ồn. Ông mô tả bằng cách sử dụng quang kế có thể được yêu cầu nếu mức độ ánh sáng của bạn quá thấp. Tuy nhiên, khi chiếu ánh sáng qua các ngón tay của tôi trong một căn phòng đủ ánh sáng, tôi có thể thấy những gì mắt tôi không thể phát hiện được trên một dao động (với PhotoDiode hoặc PhotoTransistor).

Giả sử 1 uA trên mỗi uW của anh ta là chính xác, đây là một ví dụ: một photodiodes 5 mm và phototransistors có diện tích 20 micro m ^ 2. Vì vậy, 1 uW / m ^ 2 (1/1000 ánh sáng mặt trời buổi trưa) sẽ tạo ra 20 uA (theo Art of Electr). [[1/1000 của ánh sáng mặt trời buổi trưa là 1 W / m ^ 2, mạnh gấp đôi so với ánh sáng phát sáng 20W ở 1 mét (công suất ánh sáng 6W vào diện tích bề mặt 12 m ^ 2 của một quả cầu xung quanh). ]]

Tuy nhiên, bảng dữ liệu phototransistor 880nm của tôi chỉ ra 600 uA ở tốc độ 1W / m ^ 2 (0,1 mW / cm ^ 2), gấp 30 lần. Điều này giả định rằng tất cả ánh sáng nằm trong phạm vi hoạt động của điểm nối của diode.

Sharp có một ghi chú ứng dụng tốt hơn nhiều, nhưng dường như vẫn còn thiếu trong việc giải thích thiết kế nào là tốt nhất cho tình huống nào. Hình 13 có thể áp dụng nhiều nhất cho những gì poster ban đầu và tôi cần, và hình 10B rất thú vị nhưng tôi không biết ý nghĩa của chúng bằng cách "cải thiện phản hồi". http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Khi được sử dụng với op amp, phototransistor có thể không đạt được mức tăng tốt như photodiode cho mức ánh sáng rất thấp bởi vì nó sử dụng phương pháp "rẻ tiền" để đạt được mức tăng ban đầu (bóng bán dẫn thay vì op amp). Tôi nghi ngờ một photodiode với amp op JFE (dòng đầu vào rất thấp) cuối cùng sẽ cung cấp mức tăng cao hơn với ít nhiễu hơn. Trong mọi trường hợp, photodiode hoặc phototransistor có vùng thu quang lớn nhất có thể có khả năng phát hiện mức ánh sáng thấp nhất, nhưng điều đó cũng có thể làm tăng nhiễu và rò rỉ theo một tỷ lệ thuận và chúng thường là vấn đề tiềm ẩn. Vì vậy, có một giới hạn đối với loại phát hiện ánh sáng này và các phototransistors và photodiod hiệu quả lý tưởng cuối cùng có thể tốt như nhau khi được sử dụng với op amp, nhưng về mặt lý thuyết tôi nghi ngờ photodiode tốt hơn một chút.

Đối với op op cung cấp kép, bạn có thể sử dụng cặp điện trở có giá trị "thấp" (hai 1k cho 10V Vcc để có độ lệch 5 mA) để phân chia điện áp để tạo ra mặt đất sai cho + Vin.

Tôi thấy R = 1M cho điện trở phản hồi tốt hơn nhiều so với R = 4,7M. Forrest Mimms trong cuốn sách opto đơn giản của mình đã sử dụng 10 M với 0,002uF song song và pin mặt trời thay vì phototransistor hoặc photodiode cho "mức ánh sáng cực thấp" (có thể là pin mặt trời sẽ tốt hơn cho ứng dụng của bạn) Các mối nối dường như hoạt động như một pin mặt trời ở một mức độ nào đó, vì tôi đã đọc về việc sử dụng các điốt tín hiệu nhỏ có vỏ rõ ràng để phát hiện ánh sáng. Tôi đang sử dụng đèn LED 830nm thông thường làm "photodiode".

Góc ống kính của bất kỳ diode quang học nào bạn sử dụng sẽ tạo ra sự khác biệt lớn. +/- 10 độ nhạy hơn khoảng 4 lần so với +/- 20 độ .... nếu nguồn sáng đến từ dưới +/- 10 độ. Nếu nguồn sáng là một khu vực lớn ở phía trước +/- 20 độ thì không vấn đề gì.

Tôi đã thử nghiệm hai mạch dưới đây. Tôi có thể phát hiện các xung 0,3V, 5 ms trên Vo của phototransistor, nghĩa là 0,3 uA, nghĩa là 0,05 uW / cm ^ 2 nếu việc đọc bảng dữ liệu của tôi là chính xác và nếu nó vẫn tuyến tính (ifs lớn) xuống đến 0,3uA. Có lẽ đó là 5 uW / cm ^ 2. Nếu 0,05 uW / cm ^ 2 là chính xác, thì đèn LED 830 ngoài giá trị đã đọc xuống 0,5 uW / cm ^ 2. Tôi đang chiếu ánh sáng 10 mW 830nm qua 1 cm mô (ngón tay của tôi). Tôi biết rằng nếu mức độ ánh sáng tôi làm việc cùng là màu đỏ, thì nó sẽ hầu như không nhìn thấy được. Liên kết dưới đây cho thấy sử dụng phản hồi ohm 500 M với photodiode, cho thấy mức độ ánh sáng thấp hơn nhiều. Lưu ý hướng của photodiode của chúng, giống như đèn LED của tôi (ngược từ hầu hết các liên kết internet). Tôi đã có kết quả tốt hơn theo cách này.

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

Tôi cũng đã suy nghĩ về một bộ khuếch đại opamp đảo ngược. Điều tốt nhất sẽ là một nguồn cung cấp năng lượng kép để bạn không phải thiên vị các đầu vào để tạo ra một mặt đất ảo. Hình ảnh cho thấy sơ đồ. Bạn sẽ có tín hiệu tham chiếu mặt đất dương: nhiều ánh sáng hơn = điện áp đầu ra cao hơn.

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

$V_{CC}$

chỉnh sửa dd. 2012-08-15
Trong câu trả lời này, Alfred đã chỉ ra rằng một điốt quang cũng sẽ chìm dòng điện mà không có sự sụt giảm điện áp trên nó. Điều đó có nghĩa là chúng tôi không cần nguồn cung tiêu cực và một nguồn cung duy nhất là có thể:

Hãy chắc chắn rằng đó là một opamp RRIO (Rail-to-Rail I / O).

chỉnh sửa
Trong phần trên tôi cho rằng bạn muốn đo các mức độ ánh sáng, tức là các giá trị tương tự. Nhưng đọc lại câu hỏi của bạn nó không nơi nào nói bạn làm. Việc đề cập đến tốc độ cho thấy tiếp nhận mã xung. Nếu đó là những gì bạn muốn, tín hiệu trông như thế nào? Bước sóng (IR hoặc ánh sáng khả kiến ​​là gì?) Bạn không thể sử dụng mô đun máy thu IR ?

Nếu bạn thực sự cần sự linh hoạt, hãy cân nhắc việc sử dụng photodiode thay vì phototransistor-- bạn đã xây dựng một amp transimpedance, vậy tại sao không đi hết con đường này?

Ngoài ra, có một cuốn sách tuyệt vời về chủ đề này, với nhiều ví dụ mạch chi tiết, cho độ ồn thấp và / hoặc tốc độ cao.
Xây dựng hệ thống điện quang: Làm cho tất cả hoạt động, bởi Hobbs .