Los fotodiodos son componentes fundamentales en sistemas de comunicación óptica, detección y medición. Sin embargo, su rendimiento depende directamente de la estabilidad y precisión del circuito de sesgado que suministra el voltaje inverso. En aplicaciones de alta velocidad o baja luz, incluso las fluctuaciones de microvoltio en el voltaje de sesgo pueden causar errores de medición significativos.

Fundamentos de Bisificación de Fotodioda

Comprender cómo funciona una fotodioda bajo sesgo es crítico antes de diseñar el circuito de control. Una fotodioda puede ser operada en uno de dos modos primarios:

  • Modo fotovoltaico – cero sesgo aplicado; respuesta lenta pero baja corriente oscura. Se utiliza en las células solares y los medidores de luz de baja frecuencia.
  • Modo fotoconductor] – Sesgo inverso aplicado; mejora la velocidad de respuesta, reduce la capacitancia de unión, pero aumenta la corriente oscura y el ruido. Esencial para comunicaciones ópticas de alta velocidad, LIDAR y aplicaciones de sensores rápidos.

En modo fotoconductor, el voltaje de sesgo se establece normalmente entre 5 V y 30 V, dependiendo de la calificación máxima de la fotodioda y del ancho de banda requerido. El voltaje de sesgo debe permanecer constante para evitar cambiar la capacidad de respuesta y de unión del fotodiodo, que introduciría la distorsión de señal. Cualquier ondulidad o deriva en el suministro de sesgos se unirá directamente a la señal de salida.

Por lo tanto, los circuitos de bisección de precisión deben proporcionar:

  • Excelente línea y regulación de carga
  • Baja velocidad de salida (abajo 10 μV]RMS típicamente)
  • Baja temperatura de deriva (abajo 10 ppm/°C)
  • Protección de la capacidad de ajuste y sobrevoltaje

Consideraciones clave de diseño

Antes de seleccionar componentes, definir los requisitos del sistema. Listar el rango de tensión de sesgo requerido, el máximo ruido permitido, la estabilidad de la temperatura y el presupuesto de potencia.

Estabilidad y regulación

El voltaje de sesgo no debe variar con cambios de corriente de carga (la corriente oscura de fotodioda más fotocorriente). Dado que la corriente oscura se duplica aproximadamente cada 10 °C, el circuito de sesgo debe mantener el voltaje independientemente de los cambios de corriente inducidos por temperatura.

Rendimiento de ruido

Tanto la referencia de tensión como la op contribuyen al ruido total de salida. La fotodioda es una fuente de alta potencia, por lo que incluso el ruido de tensión pequeño puede convertirse en un ruido de corriente significativo a través de la capacitancia de fotodioda. Usar amplificadores de baja altura (por ejemplo, OP27] [FLT345[F] [B]

Secado de temperatura

Seleccione referencias de tensión con coeficiente de baja temperatura (Tc). Por ejemplo, una referencia de 5 V con un Tc de 3 ppm/°C se derivará sólo 15 μV sobre un cambio de 10 °C. Si el sistema funciona a través de un amplio rango de temperatura, considere los amplificadores de operación estabilizados por auto-cero o helicóptero para reducir la deriva offset.

Características de protección

Las fotodiodas son sensibles a la sobrevoltaje inversa. Si el sesgo de suministro se enciende demasiado rápido o experimenta un transitorio, la fotodioda puede ser dañada. resistores de serie (por ejemplo, 10 Ω a 100 Ω) pueden limitar la corriente, y un diodo Zener o la abrazadera de TVS pueden proteger contra el sobrevoltaje.

Criterios de selección de Amp Op

Elegir el amplificador operativo adecuado es el paso más crítico. Los siguientes parámetros deben alinearse con la aplicación:

Si el voltaje de sesgo debe ser ajustable, considere un potenciómetro digital o un DAC en el bucle de retroalimentación, pero tenga cuidado con el ruido añadido.

Topologías de circuito para el adelgazamiento de precisión

Varias arquitecturas de circuito son adecuadas para generar un voltaje estable de sesgo para una fotodioda. La elección depende de la precisión necesaria, la sencillez, y si el voltaje de sesgo es fijo o programable.

Seguimiento de tensión con referencia amortiguada

La topología más simple utiliza una referencia de voltaje de precisión seguida de un amplificador de op configurado como un amortiguador de unidad. La salida de referencia (por ejemplo, 10 V) se aplica a la entrada no invertida de la amplificación, y la salida está conectada directamente a la anida de fotodioda (o catode, dependiendo de la polaridad).

Este circuito se beneficia de la impedancia de entrada alta del amplificador de la operación (prevención de carga de la referencia) y la impedancia de baja salida. Sin embargo, el voltaje de referencia debe ser cuidadosamente descodificado, y el amplificador de la op debe manejar la carga capacitiva de la fotodioda (típicamente 1 a 100 pF). Un pequeño resistor (10-50 Ω) en serie con la salida puede mejorar la estabilidad.

Regulador de precisión con retroalimentación

Para mayores exigencias actuales o cuando el voltaje de sesgo debe establecerse a un valor no estándar, un diseño más robusto utiliza una referencia de tensión, un amplificador de op, y un transistor de pase o un simple separador de resistencia en un bucle cerrado. El amplificador de op compara la salida (a través de un divider) con la referencia y conduce el elemento de paso para regular el voltaje de ses.

Esta topología puede ofrecer corrientes hasta cientos de milliamps manteniendo la estabilidad de microvoltios. Los resistores de divider de sentido deben ser de bajo coeficiente de temperatura (por ejemplo, 5 ppm/°C) tipos de película metálica. Agregue un condensador de la salida de la op a su entrada de inversión para compensación.

Fuente de Bias programables utilizando DAC

Cuando el voltaje de sesgo debe ajustarse dinámicamente (por ejemplo, en sistemas de calibración o adaptables), se puede utilizar un convertidor digital de precisión a análog (DAC). La salida DAC se amortigua por el amplificador de la opción y se aplica a la fotodioda. Seleccione un DAC con baja no linearidad integral (INL ANTE ±1 LSB) y bajo ruido.

Selección de componentes detallada

Cada componente de la cadena de sesgos afecta el rendimiento general. A continuación se presentan las directrices para las partes críticas:

Referencia de tensión

Elige una referencia con precisión inicial mejor que ±0.1% y coeficiente de temperatura por debajo de 10 ppm/°C. Las opciones populares incluyen la serie ADR42x (XFET) para el bajo ruido y la serie REF50xx (grupo de regulación de precisión) para dispositivos de baja potencia, con frecuencia se puede usar el de baja tensión de referencia

Op Amp

Como se ha mencionado, se prefieren amplificadores de entrada FET o CMOS. Las recomendaciones específicas (como las normas recientes de la industria) incluyen:

  • ruido ultra-bajo: LT1028, ADA4898-2
  • Precisión y baja deriva: OPA188, OPA277
  • Tensión alta: OPA445 (suministración de hasta 45 V)
  • Poder de la tierra: TLV2401

Siempre revise la hoja de datos para la capacidad de conducción de carga capacitiva. La capacitancia de unión de fotodiodo más parasitaria de la tabla puede causar oscilación. Un resistor de salida de serie pequeña (por ejemplo, 50 Ω) y capacitor de retroalimentación (unos picofarads) puede estabilizar el bucle.

Resisdores y Capacitadores

Utilizar resistores de película metálica con bajo TC (≤25 ppm/°C) para cualquier divider de tensión. La disipación de potencia debe ser derrada en un 50% o más. Use condensadores de cerámica (C0G/NP0) para descodificar y filtrar condensadores para evitar problemas de absorción dieléctrica y coeficiente de tensión. Para el filtrado de ruido, combine un resistor y un condensador para formar un filtro de baja velocidad kH

Diódos de protección

Coloque un diodo Schottky pequeño (por ejemplo, BAT54S) en la fotodioda para fijar tensión inversa si el suministro de sesgo falla o rampa incorrectamente. En los diseños de alta tensión, utilice un diodo Zener puntuado ligeramente por encima del voltaje máximo de sesgo.

Análisis de ruido y minimización

El ruido en el voltaje de sesgo aparece como una señal de movimiento común o diferencial en la fotodioda. Las fuentes de ruido primario son:

  • (típicamente 1 μVp-p] a 10 μVp-p] más de 0.1-10 Hz)
  • Opado de tensión de entrada amplificador (por ejemplo, 3 nV/√Hz para un buen amplificador)
  • Resistor del ruido térmico (sonido de Johnson de resistores del sentido)
  • Acoplamiento de suministro de energía a través de la relación de rechazo de la fuente de alimentación de la op (PSRR)

Para minimizar el ruido, utilice las siguientes técnicas:

  • Siga la referencia de tensión con un filtro RC de baja velocidad (por ejemplo, 10 kΩ + 10 μF → cutoff ~1.6 Hz) para reducir el ruido de banda ancha.
  • Añadir un condensador de retroalimentación de la salida de la op a su entrada de inversión para limitar el ancho de banda y reducir el ruido de alta frecuencia.
  • Use una topología de tierra fija y un terreno analógico separado para el circuito de sesgo.
  • Proporcionar energía limpia a la lámpara de operación utilizando reguladores de baja gota seguidos de filtros LC si es necesario.
  • Escudriñar la fotodioda y sesgos rastros de fuentes de ruido digitales.

Realizar un análisis de ruido utilizando cálculos de Spice o manual. El ruido total de RMS en la salida de sesgo puede ser aproximadamente estimado como el cuadrado de la raíz (RSS) del ruido de referencia y el ruido de la amplificación de op multiplicado por el ancho de banda.

Procedimientos de aplicación y ensayo

Construir un circuito de sesgo de precisión requiere un diseño cuidadoso y validación.

  1. Prototipo en una tabla de pan? Usa una tabla de pan sin soldadura para las pruebas iniciales, pero ten en cuenta una mayor capacitancia e inductancia parasitaria. Para la validación final, muévete a un PCB adecuado con un plano de tierra.
  2. ]Poder en marcha. Aplicar la potencia en el campo de aplicación y la referencia sin la fotodioda conectada. Medir el voltaje de salida con un multimetro de alta potencia (≥10 MΩ). Verificar la oscilación utilizando un osciloscopio (1:1 sonda, 20 MHz límite de ancho de banda).
  3. Conecte la fotodioda] usando alambres cortos y blindados. Supervise el voltaje de sesgo de nuevo; no debe cambiar por más de unos pocos milivolts. Medir el voltaje a través de un resistor de sentido en serie con la fotodioda para confirmar el flujo actual.
  4. Evaluar el ruido. Usar un osciloscopio en modo AC acoplado (1 mV/div) para observar onda y ruido. Para mediciones precisas de ruido, utilice un preamplificador de baja onda y un analizador de espectro FFT.
  5. Pruebas de temperatura. Coloca el circuito en una cámara térmica o usa un arma de calor cuidadosamente para monitorear la deriva. Una cámara térmica puede ayudar a identificar componentes calientes que pueden degradar la precisión.
  6. Ajustar y calibrar. Si se necesita un sesgo ajustable, utilice un potenciómetro trim o potenciómetro digital. Calibrar contra un multimetro de referencia.

Documente el voltaje de sesgo medido, el ruido y la deriva para cada prototipo para informar el diseño final.

Técnicas avanzadas

Para los sistemas que requieren el máximo rendimiento, considere estas mejoras:

Guardado activo para corrientes de leakage

Al medir fotocorrientes en la gama picoampere, las corrientes de fuga de tablero pueden dañar el sesgo. Un anillo de guardia activo impulsado por la salida de la op amplificación al mismo potencial que el nodo sesgado elimina la fuga manteniendo el voltaje cero en la superficie de la tabla.

Kelvin Sensing of Bias Voltage

Para asegurar que el voltaje exacto de sesgo aparezca en la fotodioda, utilice una conexión de cuatro hilos (Kelvin): forzar el sesgo a través de un par de cables y sentir el voltaje en los terminales de fotodiode con un par de alta impedancia separado que se alimenta de nuevo en la op amp. Esto compensa las gotas de tensión en alambres y trazas.

Calibración digital e indemnización de temperatura

Integrar un microcontrolador con ADC para monitorear el voltaje de sesgo y la temperatura ambiente. El microcontrolador puede ajustar el DAC o potenciómetro digital en tiempo real para compensar la deriva, logrando estabilidad a largo plazo por debajo de 1 ppm.

Conclusión

Diseño de un circuito de sesgado de precisión para fotodiodes usando amplificadores operativos requiere una atención cuidadosa a la selección de componentes, topología de circuitos, gestión de ruidos y pruebas. Al elegir una referencia de baja densidad de potencia y tensión de precisión y mediante la aplicación de filtros, protección y diseño adecuados, los ingenieros pueden lograr voltajes de sesgo estables a unos pocos microvoltios con el tiempo y la temperatura.