Photodiodes הם מרכיבים בסיסיים בתקשורת אופטית, רגישה ומערכות מדידה. עם זאת, הביצועים שלהם תלויים ישירות על היציבות והדיוק של המעגל ההטיה המספק את המתח הפוך.ביישומים מהירים או קלים נמוך, אפילו תנודות מיקרו וולט במתח ההטיה יכול לגרום שגיאות מדידה משמעותית.מבצעי מגברות (op amps) מציעים פתרון אלגנטי לייצור אולטרה-סוליים עם מתחים מינימליים, מספק אופטימיזציה לרעשים, עיצוב מדויק.

מקור: Photodiode Biasing

הבנת כיצד photodiode פועל תחת הטיה היא קריטית לפני תכנון מעגל הבקרה.ניתן להפעיל תמונה אחת משתי מצבים עיקריים:

  • (ב) [ה]:0] מצב פוטו-וולטאיבית (צילום: 1) – אפס הטיה שימושית; תגובה איטית אך זרם כהה נמוך בשימוש בתאי השמש ומונים קלים נמוכים.
  • (FLT:0) Imageconductive ModeFLT:1 - הטיה הפוכה החל; משפרת את מהירות התגובה, מפחיתה את קיבול הצומת, אבל מגבירה את הזרם והרעש האפלים.הכרחי לתקשורת אופטית מהירה, LIDAR, ויישומים חיישן מהיר.

במצב פוטו-מוליכים, מתח ההטיה נקבע בדרך כלל בין 5 V ל -30 V, בהתאם לדירוג המקסימלי של photodiode ורוחב הפס הנדרש.מתח ההטיה חייב להישאר קבוע כדי למנוע שינוי תגובתו של photodiode ו- capacitance, אשר יציג עיוות אות.כל ripple או סחף בהיצע ההטיה ישתתף ישירות לתוך האות.

לכן, מעגלי הטיה של Precision חייבים לספק:

  • קו טוב ותקנה
  • רעש תפוקה נמוך (נמוך 10 μValLT:0 RMSFLT)
  • טמפרטורה נמוכה סחף (below 10 ppm / ° C)
  • הסתגלות והגנה על יתר

שיקולים עיצוביים

לפני בחירת רכיבים, להגדיר את דרישות המערכת.לרשום את טווח המתח ההטיה הנדרשת, רעש מקסימלי, יציבות טמפרטורה ותקציב כוח.

יציבות ותקנות

מתח הטיה חייב לא להשתנות עם עומס שינויים נוכחיים (הזרם האפל של photodiode בתוספת photocurrent) מאחר זרם כהה כפול בערך כל 10 מעלות צלזיוס, המעגל ההטיה חייב לשמור על מתח ללא קשר לשינויים הנוכחיים המושרה טמפרטורה. Achieve זה באמצעות תצורה סגורה של תצורה פיסול עם התייחסות מדויקת למתח.

ביצועים רעש

(הופנה מהדף מדרש) "התחילה" (ב) היא מקור להגדרה גבוהה, כך גם רעש מתח קטן יכול להיות מומר לרעש משמעותי הנוכחי באמצעות הכניעה של הפוטואידד (המכונה: ⁇ ) שימוש במגרעות בעלות נמוכה (למשל, FLT:0OPFIRFIR LT:1,LT2Aure:2A8Aph) ו-FDR (ד') עם רעש נמוך (ד') עם .

טמפרטורה Drift

הפניות למתח נמוך עם טמפרטורות יעילות (Tc) לדוגמה, 5 V ההתייחסות עם Tc של 3 ppm / ° C סחף רק 15 מיקרוV על שינוי 10 °C. אם המערכת פועלת על פני טווח טמפרטורה רחב, לשקול אפס אוטומטי או חיתוך-עופרת אמפיבי כדי להפחית את הסחף.

תכונות הגנה

Photodiodes רגישים כדי להפוך overvoltage.אם אספקת ההטיה עולה מהר מדי או חוויות transient, photodiode עשוי להיות ניזוק. סדרה התנגדות (למשל, 10 ⁇ עד 100 ⁇ ) יכול להגביל הנוכחי, ו Zener diode או טלוויזיה S clamp יכול להגן מפני overvoltage.

אופוס Amp Selection קריטריה

בחירת המגבר התפעולי הנכון הוא הצעד הקריטי ביותר.הפרמטרים הבאים חייבים להתאים את היישום:

  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Noise Voltage Density: FIRLT:1) Target מתחת 10 nV / ⁇ Hz עבור עיצובים נמוכים-noise. Note כי מגבר גבוה יותר יש לעתים קרובות רעש גבוה יותר.
  • (ב) [13] ו-Sleew Rate: ⁇ 1) ה-Emp חייב להיות מהיר מספיק כדי לטפל בסימנים מההטיה של ה- DC, מגבר נמוך בפסווי הוא מספיק ויכול למעשה לעזור לסנן רעש.
  • (FLT:0) וולטאז' ו- Output Swing:FLT 1:1 ודא כי ה- mp יכול להכיל את המתח ההטיה הנדרשת (למשל 0 עד 30 V) מגברות דיוק רבות פועלות עם אספקה כפולה (± 5 ל- ±15 V). מגברי פלט רכבת עד שוליים עשויים להיות נחוצים עבור עיצובים נמוכים.
  • (FLT:0) הציג וולטאז' וד"ר: ההרחבה 1 (Dift:cioFLT:1) עבור דיוק DC, בחר מגבר עם התחלה ראשונית מתחת ל -100 מיקרוV וסחף מתחת ל 1 μV / ° C.

אם מתח ההטיה חייב להיות מותאם, לשקול מדממים דיגיטליים או DAC בלולאה משוב, אבל להיזהר על רעש נוסף.

ביקורת על Precision Biasing

מספר ארכיטקטורות מעגלים מתאימים לייצור מתח הטיה יציב עבור photodiode.הבחירה תלויה הדיוק הנדרש, הפשטות, והאם מתח ההטיה נקבע או ניתן לתכנת.

עקבו אחרי Buffered Reference

הטופולוגיה הפשוטה ביותר משתמשת בהתייחסות למתח דיוק ואחריו אמפ מוגדר כbuffer אחד-gain.התפוק ההתייחסות (למשל, 10 V) מוחל על קלט שאינו מונע של האמפ, והפלט מחובר ישירות לסלע (או קטודה, בהתאם לקוטב).

מעגל זה נהנה מהתערות הגבוהה של ה-Amp (הטעינה מוקדמת של ההתייחסות) והתפוקה הנמוכה מונעת.עם זאת, מתח ההתייחסות חייב להיות מחוספס בקפידה, ואת ה-Amp חייב להתמודד עם העומס השברירי של photodiode (בדרך כלל 1 עד 100 pF). התנגדות קטנה (10–50 ⁇ ) בסדרה עם הפלט יכול לשפר.

רשם אחריות עם Feedback

עבור דרישות נוכחיות גבוהות יותר או כאשר מתח הטיה חייב להיות מוגדר לערך לא סטנדרטי, עיצוב חזק יותר משתמש הפניה מתח, amp, ו transistor או פשוט מתנגד מפולגת בלולאה סגורה.האמפ משווה את הפלט (באמצעות מפיץ) עם ההתייחסות ומניע את המעבר כדי להסדיר את המתח ההטיה.

טופולוגיה זו יכולה לספק זרמים עד מאות מ"מ תוך שמירה על יציבות מיקרו-וולטית.המתנגדים לפיצול החושים צריכים להיות חסכוניים בטמפרטורה נמוכה (למשל, 5 ppm/ °C) סוגי מתכת. הוסף קפיטור מן הפלט של פומפ כדי למנוע את הקלט שלו עבור פיצוי.

מקור: Bias Source Using DAC

כאשר מתח ההטיה חייב להיות מותאם דינמי (למשל, ב calibration או מערכות הסתגלות), ממיר דיגיטלי-ל-analog דיוק (DAC) ניתן להשתמש.הפלט DAC הוא ספוג על ידי ה- mp ויישם את הפלט photodiode. בחר DAC עם אי-לינאריות נמוכה (IN < ± 1 LSB) ורעש נמוך זה תצורה פנימית, בסינון בזהירות.

בחירה מפורטת

כל רכיב בשרשרת ההטיה משפיע על הביצועים הכלליים.למטה הם הנחיות לחלקים קריטיים:

המונחים:

בחר התייחסות לדיוק הראשוני טוב יותר מ ±0.1% וטמפרטורות coefficient מתחת 10 ppm / מעלות צלזיוס אפשרויות פופולריות כוללות את FLT:0ADR42xFLT 1 סדרה (XFET) לרעש נמוך ו- (FLT:2REF50xxFLT 3: 3 (precision Bandgap) עבור מכשירים מופעלים סוללות, ירידה נמוכה (LD) עם יכולת שימושית שלהם לעתים קרובות יותר.

אופוס Amp

כאמור, FET או CMOS מפיצים הם מועדים.המלצות ספציפיות (כמו תקני התעשייה האחרונים) כוללות:

  • (ב) LT:0 (ב) LT1028, ADA4898-2
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) TLV2401

תמיד לבדוק את גליון הנתונים עבור יכולת נהיגה עומס קיבולי.הצומת של photodiode בתוספת paraacitance לוחית parasitics עשוי לגרום oscillation. סדרה קטנה התנגדות (למשל, 50 ⁇ ) ו-backacitor משוב (a Few picofars) יכול לייצב את הלולאה.

תוקפים ו Capacitors

השתמש בהתנגדות לסרט מתכת עם TC נמוך ( ⁇ 25 ppm / ° C) עבור כל מפיץ מתח. Power dissipation צריך להיות derated על ידי 50% או יותר. השתמש קרמיקה capacitors (C0G / NP0) עבור decoupling ופילטר capacitors כדי להימנע מקליטה דיאלקטרית בעיות coefficient. עבור סינון, לשלב התנגדות ו capacitor כדי ליצור קטין עם מסונן קטן עם פילטר אחד ל- k.

הגנה על דידס

מניחים דיודה קטנה של שאטקי (למשל, BAT54S) על פני photodiode כדי לדגום מתח הפוך אם אספקת ההטיה נכשלת או מרומה באופן שגוי.בעיצובים בעלי מתח גבוה, השתמש בדלודה זנר מדורג מעט מעל מתח הטיה המקסימלי.

ניתוח רעש ומיניזציה

רעש במתח ההטיה מופיע כאות נפוץ או שונה בתצלום: מקורות הרעש העיקריים הם:

  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • רעש מתח מתח אמפ (למשל, 3 nV / ⁇ Hz עבור מגבר טוב)
  • רעש תרמי (ג'ונסון רעש ממתנגדי חוש)
  • אספקת החשמל מתפצלת דרך יחס דחיית כוח של אמפ (PSRR)

כדי למזער רעש, השתמש בטכניקות הבאות:

  • עקבו אחרי המתח עם מסנן RC נמוך (למשל, 10 k ⁇ + 10 μF) לחתוך -1.6 Hz) כדי להפחית רעש פס רחב.
  • הוסף משוב capacitor מן הפלט אמפ כדי למנוע את קלטו להגביל רוחב פס ולהפחית רעש גבוה.
  • השתמש בטופולוגיה מבוססת כוכבים וקרקע אנלוגית נפרדת עבור מעגל הטיה.
  • לספק כוח נקי ל- mp באמצעות רגולטורים נמוכים עקב מסננים LC במידת הצורך.
  • חסם את התצלום ואת עקבות ההטיה ממקורות רעשים דיגיטליים.

לבצע ניתוח רעש באמצעות ספייס או חישובים ידניים.רעש RMS הכולל בפלט ההטיה ניתן להעריך בערך כמו שורש-sum-square (RSS) של רעש ההתייחסות ורעש אמפ מוכפל על ידי רוחב הפס.

יישום ובדיקת נוהלי

בניית מעגל הטיה מדויקת דורשת פריסה זהירה ואימות.עקוב אחר השלבים האלה:

  1. (FLT:0)Prototype על לוח לחם?FreaLT:1) השתמש לוח לחם ללא מכר עבור בדיקות ראשוניות, אך להיות מודע לקצבה קצבית מוגברת והשכלה. עבור אימות סופי, לעבור ל- PCB תקין עם מטוס קרקע.
  2. (FLT:0) Power up sequential.FLT:1) קודם כל ליישם את הכוח על האמפ והפניה ללא photodiode מחובר. Measure the פלט מתח עם multimeter מחוספס גבוה ( ⁇ 10 M ⁇ ). לבדוק עבור oscillation באמצעות אוקטילוסקופ (1:1 בדיקה, 20 מ"ר רוחב פס).
  3. (ב) [ה]:0] נקטו שוב את הפוטואידד'ר 1:1 [ב] באמצעות חוטים קצרים ומגנים.מעקב אחר המתח ההטיה; אין לשנות אותו יותר מכמה ממילימטרים.
  4. (FLT:0) רעשי אפילייט (FLT:103) השתמש במצב oscilloscope במצב משותף AC (1 mV / מגוון) כדי לצפות ב- ripple ורעש. עבור מדידות רעש מדויקות, השתמש במרשם נמוך ו מנתח ספקטרום FFT.
  5. (ב) ראטארורים (FLT:1) מניחים את המעגל בתא תרמי או להשתמש אקדח חום בזהירות כדי לפקח על סחף.
  6. (ב) אם יש צורך בהטיה מתאימה, השתמש במטר או בעוצמתיות דיגיטלית.

לתעד את המתח ההטיה הממדד, הרעש והסחף לכל אבטיפוס כדי ליידע את העיצוב הסופי.

טכניקות מתקדמות

עבור מערכות הדורשות את הביצועים הגבוהים ביותר, שקולות את השיפורים האלה:

משמרות Active Guarding for Leakage Currents

כאשר מדידת פוטונים בטווח picoampere, זרמי דליפות לוח יכולים להשחית את הטיה. טבעת שמירה פעילה המונעת על ידי פלט אמפ באותו פוטנציאל כמו node הטיה מבטלת דליפות על ידי שמירה על אפס מתח על פני השטח הלוח.

קלווין סאנסינג'ס וולטאז

כדי להבטיח כי מתח הטיה המדויק מופיע על פני photodiode, להשתמש חיבור ארבעה-חוט (Kelvin): לכפות את ההטיה באמצעות זוג אחד של חוטים וחוש את המתח במסופים photodiode עם זוג נפרד גבוה מרתיעה להאכיל בחזרה לתוך ה- Opmp. זה לפצות על טיפות מתח חוטים ועקבות.

דיגיטציה וטמפרטורות

ליזום מיקרובקר עם ADC כדי לפקח על המתח ההטיה וטמפרטורה הסביבה.המיקרובקר יכול להתאים את DAC או רב עוצמה דיגיטלית בזמן אמת כדי לפצות על סחף, להשיג יציבות ארוכת טווח מתחת 1 ppm.

מסקנה

(העיצוב מעגל הטיה מדויקת לתמונותדיודות באמצעות מגבר תפעולי דורש תשומת לב זהירה למבחר רכיב, טופולוגיה מעגלית, ניהול רעש ובדיקה.על ידי בחירת מחסניות נמוכות, נספח נמוך ונקודת מפנה למתח דיוק, ועל ידי יישום סינון הולם, הגנה, פריסה, מהנדסים יכולים להשיג מתחים מוטה יציב בתוך כמה מיקרו-וולטים לאורך זמן, בין אם זה מהיר הוא ניתוח אופטי של מכשיר אופטיק: