Photodetector Signal Özellikleri

Fotodetectors, elektrik sinyaline ışık veren transdüserlerdir, gürültü, denge ve parasitik etkilerle sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık ortaya çıkan küçük bir akım veya gerilim sunar.

En hassas fotodeteksiyon sistemleri iki moddan birinde çalışan fotodiodlara güveniyor: fotovoltaik (zero-bias) veya fotokodüktif (reverse-bias) Fotozometrik güç için uygun bir fotoğrafta, tipik olarak fotoyotların mikroamperyazarlara kadar değişen bir fotoğrafta artış gösterir.Bu mod düşük çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte düşük maliyetli, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte.

Diğer dedektörleri farklı zorluklarla tanıştırır Avalanche fotodiodes (APDs), daha büyük bir sinyal üreterek, ancak aynı zamanda gürültüyü çoğaltarak, çok gürültülü veya yanlış bir şekilde yüksek gerilim önyargıya ihtiyaç duyuyorlar ve fiziksel olarak fototransist ve fotodarlingtonlar, sınırlı bant ve yüksek gürültüyü gerçekleştirmek için daha az gerilim sağlar.

Bir fotodetektör amplifikatörü tasarlamak, kazanım, gürültü ve istikrar arasında bir dengedir. Birkaç giriş önyargısı mevcut veya birkaç mikro değişkeni dengelemenin zayıf bir optik sinyalden gizlenebilir. Bu nedenle, hem fotodetector'un elektrik özelliklerini ve af-amp'un anahtar özelliklerini anlamak önemlidir.

Low-Level Signals için Yönelme Temelleri

Operasyonel yükselteç yüksek geri dönüşüm yükselticidir. Dış geri bildirim ile yapılandırıldığında, ek olarak lineer işlemleri gerçekleştirebilir, entegrasyon ve mevcut gerilim dönüşümü gibi. fotodetector devreleri için, af-amp DC ve AC parametreleri doğrudan achievable hassasiyet ve bant genişliğini belirleyebilir.

Düşük seviyeli fotodeteksiyon için kritik özellikler şunlardır:

  • [FONT=0)Input önyargı akım (I)[D[Dönem:2)[Dönetici:0)[0)[değiştir | kaynağı değiştir] - Şu anda transpriptatör (TIA) tarafından kullanılan önyargılar, geri dönüşler için geri dönüşler ve bir DC çıktı dengeleme dengeleme aracı oluşturur.For picoampere- seviye fotoğraf:[FONT-amp with femtoampere current (tiply JF or CMOS girdisi) zorunludur.
  • [FONT=0)Input Balance (V) )[Dönetici:0)[Dönetici: 2))[Döneticileri ve aynı zamanda düşük frekanslı flicker gürültüyü bastırmak için küçük bir DC gerilimi farkı.
  • [FONT:0]Voltage gürültü yoğunluk (e) ve mevcut gürültü yoğunluğu (i)[FLT: 4)[Dönder)[Dönder)[Dönderlik gürültüyü çoğaltır.
  • [FONT:0)Gain-band geniş ürün (GBW) ve karasal oranı [Dönemli: 1) Belirli bir sinyal bant genişliğinde en yüksek kullanılabilir kazanç elde eder.
  • [FONT:0)Input cleance (C[DÜT:1)I[DÜ:2)[DÜDÜ:2)[DÜye Olmayanlar İçindekiler: A) - Af-amp'ın diferansiyel ve yaygın giriş kapasitesi.

Birçok fotodetector sinyalleri DC'ye uzatıyor, flicker (1/f) gürültü, düşük frekanslarda sınırlı bir faktör haline gelir. Zero-drift yükselteçleri neredeyse 1 / gürültüyü ortadan kaldırır, ancak birkaç kilohertz'da eserler ortaya çıkarabilir, bu da ayrıntılı bir gürültü analizi gerektirir - Texas Instruments'ın Hesaplayıcısı olarak kullanılan araçlar:0)Analog Mühendisinin Hesaplayıcısı veya analog cihazlardan LTspice

Tek-Supply vs. Dual-Supply Thinkations

Birçok modern fotodetektor amplitüdatörleri tek bir tedarik geriliminden çalışır, genellikle 3.3 V veya 5 V, sistem gücünü basitleştirmek ve bataryayı boşaltmak için kullanılır.In single-ely circuits, op-amp's input and print voltajı ranges must host the photodiode signal without videos.The non-inverting input is often negative to a reference VCCCC, to allow bipolar photocurrents (e.g.g.g.

Transimpedance Amplifier: Akımı Germek için Dönüştürmek

Transimpedans yükselticisi (TIA) fotodiode okuma için en yaygın devredir. Sanal zeminde mevcut bir alan kabul eder ve mevcut geri bildirimde bulunan bir baskıyı doğrulamaktadır.The transimpedanceifier (TIA)R[FLT)[FLT)

[FONT:0)V[DÜDÜDÜDÜŞÜNÜ: 2) [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜ TÜSİAD (DÜDÜ) × R[DÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜTÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜNÜ

İnverting konfigürasyonu standarttır çünkü sürekli bir önyargıya sahip fotodiode. sıfır-bias (fotovoltaic) operasyon için, fotodiode girişin zemine uygulanır ve fotodiode giriş, aynı potansiyele bağlıdır, böylece sanal zemin, ortak nokta gerilimi azaltır.

Geri bildirim Direniciyi Seçin

Geri bildirim, fotokotun gerilime dönüşmesine ve doğrudan orta bandın kazanılmasını sağlar. ancak, büyük direnişçiler - on veya yüzlerce megohms - önemli termal (Johnson) gürültü ve parasitik kapasitans ile etkileşim.

[FONT:0][DÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜ: SİAD (DÜDÜ)[Üye Olmayanlar İçin SİAD (DÜDÜ)[Üye Olmayanlar (DÜye)[Üyeler)

[FONT:0]k [DÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ

Geri dönüşüm Capacitor ve Stability

Bir geri bildirim neredeyse her zaman bir TIA'da osilasyona neden olur çünkü fotodiode'nin kaviminde (CFLT:0) CFLT) bir kutup oluşturur [DÜDÜye Olmayanlar İçinde 3. ).[DÜye Olmayanlar İçindekiler[DÜye Olmayanlar İçindekiler[DÜye Olmayanlar İçindekiler[DÜye Olmayanlar İçindekiler)[Üye Olmayanlar İçindekiler[Üye Olmayanlar İçindekiler[Üye Olmayanlar İçindekiler)

[FONT:0)[[DÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜ: 2) {0}[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye) [Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)

C)IN) daha büyük bir kapasitöre sahip olmak, TIA'yı yüksek frekanslarda bir bütünlemeye dönüştürmektir (C).J) + af-amp giriş kapasitesi + stray düzeni kapasitance.

[FONT:0)[[DÜDÜDÜDÜŞÜNÜ: 2) ⁇ 1 / (2:2) × R)[D[DÜye ait × [DÜye ait) × [DÜye ait × [DÜye/Üye) s[Üye/Üye/Üye ait)

Ve sonra, hızlı bir optik pul ile bir ağ analizörü veya bir oscilloskopi kullanarak deneysel olarak ayarlayın. ayrıntılı bir tedavi için, Analog cihazların uygulama notu OLFLT:0)MT-059: Geçerli-Voltages'e Giriş Etkisi için Açıklamalama) son derece önerilir.

Gelişmiş Cümle Teknikleri

Çok yüksek hızlı fotodetektörler büyük bir kavim kapasitesi ile, basit kutup-zero tazminatı yeterli aşama marjı sağlayabilir. Alternatif yöntemler, bir tazminat pimi (örneğin, şarj edici yükselteçleri) veya küçük bir kapasitör ekledikten önce, bu sabitleme girişten zemine kadar (kullanıcıya girişten vazgeçerek) bir geri yükleme aracı kullanarak bir geri yükleme ağı kullanmak için.

Gürültü Analizi ve Mitigation

Bir fotodetector amplitüdünün gürültü minimum tespit edilebilir sinyal ve etkili dinamik aralığı sınırlandırır. Tam bir gürültü bütçesi aşağıdaki katkıda bulunur:

  • [FONT:0)Fotoğraftatektör gürültüyü vuruyor: Fotografin varış ve taşıyıcı neslindeki temel istatistik dalgalanmalar. Shot gürültü akımı = √(2qI).
  • [FONT:0) ⁇ gürültünün değeri:0) R))[Dönetici: 4)[Dönetici:[Dönetici: 4))
  • [FONT=0)Op-amp gerilim gürültüsü: Gürültü kazanarak elde edilen (+ ) )[DÜye Olmayanlar[DÜye Olmayanlar İçindekiler)[DÜye Olmayanlar İçindekiler[DÜye Olmayanlar İçindekiler)[DÜye Olmayanlar (DÜye Olmayanlar)[Üye Olmayanlar)
  • [FONT=0)) [FONT=0))[FONT=0)[FONT=0)[FONT=0)[FONT=[FONT=))[[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=[FONT=FONT=FONT=)))[FONT][/FONT=[FONT=)))[FONT=[değiştir | kaynağı değiştir]
  • [FONT=0)Flicker (1/f) gürültü: Birkaç yüz hertz'ın altındaki frekanslarda önemli. Zero-drift yükselteçleri 0.1 Hz.
  • [FONT:0)Power-eely ripple ve EMI:) Pasif raylar yoluyla çiftleştirilmiş veya yüksek eksenli düğümler tarafından ele alındı.

Genel gürültü zeminini azaltmak için, bileşen seçimi ile başlayın. JFET-input op-amps like theurme.0)OPA828) veya [[Texas Instruments) veya ) veya [D FONT=D[D)[D[D) düşük gerilim gürültüsü ile mevcut olan dizginlik ve düşük bant genişliği için, yükselteçmiş yükselteçmiş yükselteçmişler için.

Gürültü Hedefleme ve Nasıl Yönetilir

Gürültü kazanç zirveye geldiğinde, yüksek frekanslarda kapasiteye sahip olmak, gürültünün ortaya çıkmasından daha hızlı yükselmek için elde etmek için elde edilir.Bu, orta bant değerini önlemek için yüksek bir gürültü kazanır. Yeterli faz marjını korumak için yeterince düşük sağlar.Sessiz bir şekilde giriş yapın.(FLT:2)[D)[Döneticileri arasında)[Döneticileri kullanarak, gürültüyü azaltmak için yeterince yüksek bir gürültü kazanır.

Layout teknikleri eşit derecede önemlidir.Toplantılı bağlantı (zarlama girişi) son derece yüksek derecede yüksek bir engeldir ve parasitik kapasitif darbe ve sızıntıdan korunmalıdır. Bir koruyucu ring - dış müdahaleden kaynaklanan bir iz.

Posta filtrelemesi daha geniş bant gürültülerini daha da azaltabilir. Basit bir ilk sipariş RC filtre TIA çıkışında sinyal bant genişliğinin ötesinde gürültüyü gömebilir.Daha agresif filtreleme için, aktif ikinci sipariş Sallen-Key veya çoklu besleme filtreleri eklenebilir. modlu ışık uygulamaları, kilitleme-in amplifikasyonu veya senkronizasyonu, gürültü zemininin altında gömülü sinyalleri geri alabilir.

Detaylı Bilgi ve Geri Bildirim Kurguları

Temel geri bildirim kapasitesinin ötesinde, sağlam bir istikrar elde etmek, gürültünün karakteristik olmasını gerektirir.[Dörtüncü maddede akıp gidenler için)[Düzücükler, s.

[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=SNT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=

Yüksek DC kazanç ve geniş GBW ile amplifatörler faydalıdır çünkü daha büyük bir algD:0)CF) Bu minimum bant ile tanışmak için tasarlanmıştır, yüksek frekanslı gerilimli uygulamaları azaltmak için iyi bir seçim gerektirir.

TIA'yı bir SPICE modeli ile karıştırmak önemlidir. LTspice, örneğin, AC, geçici ve gürültü analizlerini aşama marjını, zirveyi ve seslerini doğrulamaya izin verir.Indüksiyon:0)C[D)[D)[Dönetici: 3.

Photodetectors için Alternatif Topolojiler

TIA en yaygın kullanılan olsa da, diğer topolojiler belirli ihtiyaçlara uygundur:

  • [FONT:0) Makyajlı Bütünleme ([Dönetici: 1) – CCD okuma ve tünelleme mikroskopları gibi ultra-düşük uygulamalar için idealdir. [Dönetici][/FONT=0][Dönetici:0)[Dönetici: 3 )
  • [[Dönetici yükselticisi[[Dönetici:0)[Dönetici yükselticisi:0)Logarithmik yükselteç (Dönderlik ve sıcaklık tazminatı) uzun yıllar boyunca ışık yoğunluğu için uygun bir çıkış için bir diyot veya transistör kullanın.
  • [FONT=0) Yüksek hızlı gerilim yükselteçli yükselteçli yükselteçler için [Dönder: 1 ) - Fotoğraftatörler için, daha sonraki düşük gerilimli gerilim yükselteçleri ADC sürüşü için sinyali artırır. Tam olarak diferansiyel yükselteçler (FDA) yüksek hızlı diferansiyel ADC'ler için yaygındır.
  • [FONT:0]Lock-in amplifik ön uç[Dönetici] – Işık modlu olduğunda, senkronizasyon zeminin altındaki sinyalleri çok altından çıkarır.The photodetectorifier must protect the modulation with enough6.9.
  • [FONT:0]Dual-photodiode ekstraktoloji[Dönetici:0)[Dual-photodiodepreive topoloji[Dönetici:1) - Ortak mod lazer gürültüyü reddetme konusunda dengeli bir tespitte kullanılır. İki maçlı fotodiodes, bir tür TIA'ya bağlanır, fotoğraftaki farka doğru bir şekilde bir gerilim üretir.

TIA ile Karşılaştırmalı Bütünleme

Parameter Transimpedance Amplifier Switched Integrator
Noise floor at low frequencies Limited by RF thermal noise Only op-amp noise (no resistor)
Bandwidth Wide, set by RF and CF Limited by integrator reset rate
DC accuracy Continuous analog output Requires reset and sampling
Ideal for Dynamic signals, high-speed Ultra-low light, static or slow signals

Pratik Uygulama Kılavuzları

Bir stabil, düşük fotodettör yükselteçinin gerçekleştirilmesi, düzeni ve inşaata dikkat gerektirir. Anahtar kılavuzlar şunları içerir:

  • [FONT=0)Component yerleştirme:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici yerleştirme:[Dönetici:0)Reefity inductance. Position the photodiode as close as possible to the entry node.
  • [FONT:0)PCB substratı:[Dönetici:0) Düşük seviyeli tahta materyali kullanın.Peroampere- seviye devreler için, FR-4'ü dikkatli bir şekilde temizlemeye veya Rogers veya seramik substratları dikkate alın. Conformal kaplama nemle ilgili sızıntıyı önler.
  • [FONT:0)Power-eely decoupling:[Dönetici: 1 ) Her tedarik pimi, 10 μF tantalum ile paralel olarak, birkaç milimetre içinde IC. ayrı analog ve dijital zemin uçaklara yerleşen bir mikro kontrol veya ADC, tahtayı paylaşıyor.
  • [FONT:0)Shielding:[Dönetici:[Dönetici:0)) Yüksek hacimli bölüm, zemine bağlı bir metal kalkanı ile çevrilir. PCB'de, giriş izlerinin kapasitance için bir tahrikli bekçi yüzüğü kullanın.
  • [FONT:0)Grounding:[Dönetici:[Dönder:[Dönder:0)) Bir dizi direnç gösterir ve analog bölüm için tek bir nokta yıldızı zemin kullanın.The photodiode return current should share ways with digital currents. If TIA output uses a cable, include a series objector (e.g., 50 ULL) and end to dampen reflects.
  • [FONT=0)Testing:[Dönetici: [Dönetici:0) Doğrulanmış sızıntı ve önyargı akımını doğrulamak için DC dengelemeyi tamamen karanlıkta ölçül.Geçmiş bir optik nabızla bant genişliğini ve toplayarak üst üste tutmak için.

Uygulamanız için Doğru Op-Amp'ı seçin

Mevcut binlerce yükselteçle, seçimin daraltılması hedef uygulama için en kritik özellikleri önceliklendirmeyi gerektirir. Aşağıdaki kılavuzlar üç geniş kategoriyi kapsar:

  • [FONT=0) <24|24|0|x|d|x-x-x-x x x x x x x x x x x x x x x x
  • [FONT:0) Yüksek hızlı iletişim (örneğin, 10 Gb / optik alıcı): ). GBW > 1 GHz, düşük giriş kapasitesi, çek oranı vegt; 500 V /μs, diferansiyel çıktı sıklıkla gerekli. Seçenekler: AD8015, MAX3970, OPA847.
  • [FONT:0) Genel amaçlı taşınabilir donanım (örneğin, çevre ışık sensörü, duman detektörü): ), Low güç tüketimi, demiryolu-to-ray çıktı, tek kullanımlık işlem, önyargı ve 1 nA. Örnekler: OPA374, MCP6V01, TSV912.

Sadece veri tablo numaralarına güvenmek yerine, SPICE modellerini kullanarak tam devrede aday yükselticileri taklit edin. Hem Texas Instruments hem de Analog cihazlar ücretsiz indirme edilebilir modeller sağlar. AC, geçici ve LTspice'deki gürültü analizleri, prototyping veya aşırı çıkış gürültüsü gibi sorunlar ortaya çıkarır.

Kalibrasyon ve Test

Montajdan sonra, sistematik bir kalibrasyon doğruyu sağlar. karanlık cevabı ölçerek başlayın: tüm ışık ve çıktı gerilimi kaydedin. Bu dengeleme - çünkü önyargılı mevcut, dirençsiz ve karanlık mevcut - stabil olmalı ve sonraki ölçümlerden çıkarılmalıdır.Eğer sıcaklıkla sürüklenirse, oto-zero teknikleri veya periyodik yazılımlar bir panjur ile çarpılır.

Sonraki, devrenin sorumluluğunu karakterize etmek. Bir kalibreli ışık kaynağı kullanın - bilinen bir akım veya ölçülen bir güç lazer tarafından yönlendirilen bir görüntünün çıktı gerilimine karşı optik güç için.Bir fotodiode için, sorumluluk (A/W) bilinen, bu yüzden transimpedans kazanılabilir veya gerekirse sahne kazanır.

Band genişliği ve gürültü ölçümleri geçerliliği tamamlar. Bir puld lazer veya modlu LED'ten hızlı bir optik pul, bir oscilloskop ile yakalanan, adım yanıt verir ve herhangi bir ringing gösterir. Ölçüm gürültü spektral yoğunluğu bir spektrum analizör veya yüksek çözünürlüklü zimleyici ile birlikte; beklenmedik gürültü kaynaklarını tanımlamak için teorik tahminlerle karşılaştırın.

Ortak Uygulamalar ve Vaka Çalışmaları

Tartışma edilen ilkeler birçok endüstride günlük olarak uygulanır:

  • [FONT:0]Fiber-opsiyonlar:[Dönetici:[Döneticiler) ve bant genişliği, otomatik olarak sabit gürültü ve jitter bütçelerini kontrol ederek otomatik olarak değiştirir. TIA kontrollü bir kazanç sağlamalıdır (kaç kilo-daklara) ve bant genişliği 0.7× veri oranını aşıyor.
  • [FONT=0]Medical naif oximetri: [DÜDÜT:1] Bir çift dalga uzunluğunda LED ve fotodiode kan oksijeni saturasyon ölçüyor. Photocurrents are small and blocked by environment light. A TIA with senkronizasyon -modulating the LEDs and using a lock-inifier or software demodulation – SpO2 hesaplama için AC and DC components.
  • [FONT:0)Strate Spectroskopi:[Döneticileri otomatik olarak fotodiode dizileri kullanıyor.Her pikselin mevcut, nanoampere ile mikroampere aralıklarına kadar programlanabilir bir kazançla entegre edilmiştir.Introfik analizörleri otomatik olarak sinyal seviyesine göre ayarlar.
  • [FONT:0]LIDAR zaman-of-flight: Avalanche fotodiodes hızlı, sub-nanosan puls üretir. TIA, yüksek akım pulslardan hızlı bir şekilde geri kazanmalıdır. Özel fikre sahip olmayanlar veya önyükleme malzemeleri kullanılır.
  • [FONT:0]Astronomy ve gece vizyonu: PMTs veya APDs tek fotonlar tek fotonlar yakalar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Operasyonel yükselteçler fotodetektör sinyali için temel bina bloğu olarak kalır, hassas, esneklik sunar ve kullanım kolaylığı sağlar.Sally the transimpedansifier topology - including its noise, stability, and following intense construction and testing apps, one can the sensitively amplify the damnest light messages. by methodically analyze the photodetector's properties, design to the correct performance.