Fotodiodes optik iletişimde temel bileşenlerdir, algılama ve ölçüm sistemleri. Ancak, performansları doğrudan doğruya doğru olan önyargılı devrelerin stabilitesine ve hassas gerilimlere bağlıdır. Yüksek hızlı veya düşük ışık uygulamaları, önyargılı gerilimler için mikro volt dalgalanmaları bile önemli ölçüm hatalarına neden olabilir. Operasyonel yükselteçler (op amplitüsler) en az gürültü ile hassas gerilimler üretmek için şık bir çözüm sunar.Bu makale, hassas bir yanlışlama devreleri tasarlamak için temel bir kılavuzda, amplifleri kullanarak, devreleri kapsayan, devreleri kapsayan, çözünürlükte, ölçümler, çözünürlükte, ölçümler ve pratik uygulamalar.
Fotodiode Biasing
Bir fotodiode kontrol devresini tasarlamadan önce önyargı altında nasıl çalıştığını anlamak. Bir fotodiode iki birincil moddan birinde çalıştırılabilir:
- [FONT=0)Fotoğrafvoltaic modu[[Dönemli: 0,0)[Dönemli)
<0 sent; yavaş yanıt ama düşük karanlık akım. güneş hücrelerinde ve düşük frekanslı ışık metrede kullanılır.
- [FONT=0)Fotoğrafçı modu [[Dönetici: 1) – ters önyargı uygulanır; yanıt hızı, eğim kapasitesi azaltır, ancak yüksek hızlı optik iletişim için temel, LIDAR ve hızlı sensör uygulamaları için daha iyi olur.
Fotokodüktif modda, önyargı gerilimi genellikle 5 V ve 30 V arasında belirlenir, fotodiode'nin maksimum derecelendirmesine ve gerekli bant genişliğine bağlı olarak.
Bu nedenle, hassas devrelerin çözümü sağlamalıdır:
- Mükemmel çizgi ve yükleme düzenleme
- Düşük çıkış gürültüsü (belirli 10 μV[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ)
- Düşük sıcaklık sürüklenme (daha düşük 10 ppm /°C)
- Uyum ve Overvoltage koruma
Anahtar Tasarım Tahminleri
Sistem seçiminden önce, sistem gereksinimleri tanımlayın. Gerekli önyargı gerilimi aralığı, maksimum izin edilebilir gürültü, sıcaklık istikrarı ve güç bütçesi. kritik parametreler şunları içerir:
Stability and Regulation
Hafif gerilim mevcut değişikliklerle değişmez (Fotoğrafçının karanlık akım artı fotoğraf akımları) Karanlık akım çiftleri yaklaşık 10 °C'den bu yana, kutuplu devre, sıcaklık kaynaklı mevcut değişimlerden bağımsız olarak gerilim tutmalıdır.
Gürültü Performansı
Her iki gerilim referansı ve af amp toplam sese katkıda bulunur. fotodiode yüksek hacimli bir kaynaktır, bu yüzden küçük gerilim gürültüsü fotodiode's kapasitance.Use düşük kaliteli amplif. (e.g.,)ADR445).
Sıcaklık Driftt
Düşük sıcaklık katla gerilim referansları (Tc) Örneğin, 3 ppm /°C ile 5 V referans sadece 10 °C değişimi üzerinde 15 μV sürükler. Sistem geniş bir sıcaklık aralığı üzerinde çalışırsa, otomatik olarak arsa veya chopper-stabilized amps to reduce.
Özellikler Koruma Özellikler
Fotodiodes, gerilimin tersine dönmesine karşı hassastır. Eğer önyargı tedariki çok hızlı veya geçici bir şekilde genişlediyse, fotodiode zarar verebilir. Serisi direniciler (örneğin, 10 {{ ila 100 {{) mevcut olabilir ve bir Zener diyot veya TVS fikre karşı aşırı gerginlik koruyabilir. Birçok hassas afs iç kısa devre dışı koruma sağlar, ancak dış koruma eklemek ihtiyatlıdır.
Op Seçici Kriterleri
Doğru operasyonel yükselteç seçmek en kritik adımdır. Aşağıdaki parametreler uygulama ile uyumlu olmalıdır:
- [FONT=0)Input Bias Current: [Döneticiler için OPA121[Döneticileri için mevcut olan giriş noktaları, fotoğrafta bulunan 1 pA’nın altındaki önyargıları düşük olmalıdır.
- [FONT:0]Akt gerilim Yoğunluğu: [Döntgen: [Döntgen: 0] Düşük boyutlu tasarımları için 10 nV/128.
- [FONT:0)Band genişlik ve Slew Puanı: Af amplifikasyonu fotoğrafçıdan sinyalleri işlemek için yeterince hızlı olmalıdır. DC önyargı için, düşük bant genişliği yükselticisi yeterlidir ve aslında filtre gürültü yardımcı olabilir.
- [FONT=0)Supply Ger ve Çıkış Swing: Af amplifikasyonun gerekli önyargı gerilimi (örneğin, 0 ila 30 V) birçok hassas yükselteçler çift malzemelerle çalışır (±5 ila ±15 V).
- [FONT:0]Offset gerilim ve Drift: [Dönetici için DC doğruluk için, 100 μV'nin altında ilk dengeleme ile yükselteç ve 1 μV/°C'nin altına sürüklen.
Eğer önyargı gerilimi ayarlanabilirse, geri bildirim döngüsünde bir dijital güçlüometre veya DAC dikkate alınmalıdır, ancak ek gürültü hakkında dikkatli olun.
Hassasiyet için Topolojiler
Birkaç devre mimarisi, bir fotodiode için istikrarlı bir önyargı gerilimi oluşturmak için uygundur. Seçim gerekli doğruluk, basitlik ve önyargı geriliminin sabit veya programlanabilir olup olmadığını bağlıdır.
Buffered Referans ile Gerilim Takipçi
En basit topoloji, bir birlik-dönüşümlülük olarak yapılandırılan bir afrasyon referansını kullanır. Referans çıktı (örneğin, 10 V) af amp girişine uygulanır ve doğrudan fotodiode anode (veya kedihode, kutupiteye bağlı olarak).
Bu devre, ampirik amplitüdün yüksek girişinden (önemli yüklemeyi) faydalanır ve düşük çıktı engellenebilir. Ancak, referans gerilimi dikkatlice ikiye katılmalıdır ve amplifiğe sahip olmalıdır.
Geri bildirimle İnceleme
Daha yüksek mevcut talepler için veya önyargı gerilimi standart olmayan bir değere ayarlandığında, daha sağlam bir tasarım bir gerilim referansını, bir af amp ve kapalı bir döngüde bir geçiş yapan veya basit bir dirençle karşılaştırır.Af amp, referansla karşılaştırır ve yanlı gerilimi düzenlemeyi yönlendirir.
Bu topoloji, mikrovolt istikrarı korumak için yüzlerce miliamp teslim edebilir. Bu değer, düşük ısıtıcı (örneğin, 5 ppm/°C) metal film türünden oluşan bir kapasiteye sahip olmalıdır.
programlanabilir Bias Source Using DAC
önyargı gerilimi dinamik olarak ayarlanmalıdır (örneğin, kalibrasyon veya uyarlayıcı sistemler), hassas bir dijital-analog dönüştürücü (DAC) kullanılabilir. DAC'nin iç referans ve çıkış yolu, düşük integral olmayan bir amplifiğe (INL < s.1 LSB) ve düşük gürültüye sahip bir DAC'nin iç referans ve çıkış yolu ile incelenmelidir.
Detaylı Not Seçimi
Önlem zincirindeki her bileşen genel performansı etkiler. Aşağıda kritik parçalar için kılavuzlar şunlardır:
Gerilim Referans
Ortalama doğrulukla 10 ppm/°C'nin altındaki ortalama sıcaklık katsayı ile referans seçin. Popüler seçenekler, aDR42x) düşük gürültü ve eksiltme için (XFET) ile regülatörün (D) sıralanması için.
Op Amp
Bahsettiği gibi, FET veya CMOS giriş yükselteçleri tercih edilir. Özel öneriler (son endüstri standartlarında) şunları içerir:
- [0]-düşük gürültü: [Dönemli: LT1028, ADA4898-2
- [FONT:0) Ön ve düşük sürüklenme: OPA188, OPA277
- [FONT:0) Yüksek gerilim: [Dönem: [Döntgen: 0,4]
- [Düzücükler:0) Düşük güç: [Döndüşük 1] TLV2401
Her zaman veri tabloyu kapasitif yük sürüş kapasitesi için kontrol edin. fotodiode'nin kesişim kapasitesi artı yönetim kurulu parasitics osilasyona neden olabilir. küçük bir seri çıktı dirençli (örneğin, 50 GU) ve geri bildirim kapasitör (birkaç resim) döngüyü stabilize edebilir.
Direnciler ve Capacitors
Metal film düşük TC (≤25 ppm/°C) ile direnç gösterir, herhangi bir gerilim bölmesi için. Güç dağılımı, 1 kHz'yi 10 kHz'ye kadar keserek düşük frekanslı bir lens filtresini bir araya getirmeli.
Koruma Diodes
Hafif bir diyot (örneğin, BAT54S) fotodiode'nin ters gerilimi bozması veya yanlış bir şekilde rampalar halindeki yüksek gerilim tasarımları ile, bir Zener diyotunu biraz daha yüksek çözünürlükte kullanın.
Gürültü Analizi ve Minimization
Önlem gerilimindeki gürültü, fotodiode'de ortak bir mod veya diferansiyel-mode sinyal olarak görünür. birincil gürültü kaynakları şunlardır:
- Referans gürültü (tipik olarak 1 μV[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜye Olmayanlar) 10 μV}p-p) 0.1-10 Hz.
- Op amp girişi gerilim gürültü (örneğin, 3 nV/POSHz iyi bir yükseltici için)
- Direnksel gürültü (Johnson gürültü duyumsal dirençlerden)
- Güç tedariki, af amp'ün güç tedariki oranıyla (PSR)
Gürültüyü en aza indirmek için aşağıdaki teknikleri kullanın:
- Düşük uçlu bir RC filtre ile gerilim referansını izleyin (örneğin, 10 kULL + 10 μF → kesim -1.6 Hz) genişleyen gürültüyü azaltmak için.
- Agresifliği sınırlamak ve yüksek frekanslı gürültü azaltmak için girişine arayıcı ekleyin.
- Bir yıldız üstoloji kullanın ve önyargı devre için ayrı analog zemin kullanın.
- Düşük kapak düzenleyicileri kullanarak artırılmış af amplifiğe temiz güç sağlayın, gerekirse LC filtreler tarafından takip edilir.
- Ekran fotoğrafçı ve önyargı dijital gürültü kaynaklarından izler.
Spice veya manuel hesaplamaları kullanarak bir gürültü analizi yapın. önyargılı çıktıdaki toplam RMS gürültü yaklaşık olarak kaynak genişliği (RSS) olarak tahmin edilebilir.
Uygulama ve Test Prosedürleri
Hassas bir önyargı devresi inşa etmek dikkatli bir düzen ve doğrulama gerektirir.Bu adımları izleyin:
- [FONT:0) Bir ekmek dolabına mı basıldı?) İlk testlere satılan bir ekmek dolabı kullanın, ancak parasitik kapasitans ve indükance farkında olun.
- [FONT:0)Yüksek devre dışı (≥ 10 MULL) Bir osiloskop kullanarak çıkış gerilimi ölçme (:1)
- [FONT=0]Fotoğrafçıyı [[Döneticileri kullanarak) bir kaç milivoltdan daha fazla değiştirilmemelidir.Mevcut akışı doğrulamak için bir anlamda gerilimin üzerindeki etkisini ölçmek için.
- [FONT=0)Evaluate gürültüsü [Dönekli Gürültü İçin[DÜT:1) AC çift modda bir oscilloskopu Kullanımı (1 mV/div) dalga ve gürültüyü gözlemlemek için.
- [FONT:0]Temperature testleri [Dönetici Odasında devreyi yerleştirin veya sürüklenme konusunda dikkatli bir şekilde ısı tabancasını kullanabilir. Bir termal kamera, yüksek çözünürlükte bulunan sıcak bileşenleri tespit edebilir.
- [FONT=0)Adjust ve kalibrete.[[DÜDÜT:1] Bir ayarlanabilir önyargıya ihtiyaç duyulursa, bir trim güçlüometre veya dijital güçlüometreye karşı Kalibrate kullanın.
Ölçülü önyargı gerilimi, gürültü ve her prototip için son tasarımı bilgilendirmek için sürüklenir.
Gelişmiş Teknikler
En yüksek performansı gerektiren sistemler için, bu geliştirmeleri düşünün:
Leakage Currents için Aktif Muhafız
Fotocurrents in the picoampere range, yönetim sızıntı akımları önyargıyı bozabilir. Aynı potansiyelde, önyargılı düğümün, tahta yüzeyi boyunca sıfır gerilimi korumakla aynı potansiyele yol açan aktif bir bekçi yüzüğü.
Kelvin Bias Gereğinin
Tam önyargı geriliminin fotodiode'da görünmesine yardımcı olmak için, dört kablo (Kelvin) bağlantı kullanın: bir çift tel ve fotodiode terminallerinde ayrı yüksek hacimli çift beslemeli gerilimin tekrar tekrarlanmasını sağlayın.
Dijital Kalibrasyon ve Sıcaklık Açıklama
Bir ADC ile bir mikrokontrolör, önyargı gerilimi ve çevre ısısını izlemek için. Mikrokontroller, DAC veya dijital güçlüometreyi gerçek zamanlı olarak 1 ppm altında uzun vadeli bir istikrar elde etmek için gerçek zamanlı olarak ayarlayabilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Operasyonel yükselteçleri kullanarak fotodiodes için hassas bir önyargı devresini tasarlayın, birkaç mikro volta kadar sabitlenebilir ve test edin. Düşük maliyetli bir amplitüd ve hassas gerilim referansını seçerek, doğru filtreleme, koruma ve düzeni uygulayarak, mühendisler belirli bir amplifiğe ve gürültü analizlerine zamanında ve sıcaklıklara istikrarlı bir şekilde ulaşabilirler.[Ana Sayfalar ve ölçümler)