Wzmacniacz transimpedancji fototranzystora

Mam typowy fototranzystor NPN. Mam go w konfiguracji wspólnego kolektora; patrz rysunek 2 tej notatki aplikacji .

Zwiększenie Re zwiększy czułość, ale zmniejszy prędkość. Studiuję fototranzystory od kilku dni i myślę, że wzmacniacz transimpedancyjny może dać mi dodatkową czułość bez poświęcania prędkości, ponieważ nie będę musiał ponownie ładować emitera.

Nie mogę jednak znaleźć prostych implementacji. Zdecydowana większość notatek dotyczących aplikacji opisuje fotodiody. W przeciwieństwie do fotodiody, fototranzystor musi być stronniczy, a kilka notatek aplikacyjnych omawiających użycie fototranzystorów zakłada obecność ujemnego napięcia polaryzującego w ich wzmacniaczach transimpedancyjnych. Potrzebuję rozwiązania, które działa z wzmacniaczem operacyjnym z jednym zasilaniem.

Czy wirtualna masa na nieodwracającym wejściu wzmacniacza transimpedancyjnego prawidłowo przesuwa fototranzystor? Zwykle wirtualna ziemia jest w połowie drogi między VCC a GND, ale nie sądzę, że musi tak być. Napięcie nasycenia mojego fototranzystora wynosi 0,15 V. biorąc pod uwagę VCC = 3,3 V, czy to oznacza, że ​​moja wirtualna masa może wynosić ~ 3 V.

Czy istnieje lepszy sposób zaprojektowania tego obwodu? Chciałbym, aby wyjście było jak najbliżej GND, ponieważ prawdopodobnie będzie wzmacniacz drugiego stopnia.

EDYTOWAĆ:

Więcej informacji na temat aplikacji. Wyczuwam poziomy światła; niski, bardzo niski i wyłączony. Nie ma problemów z oświetleniem otoczenia, więc wolałbym nie skupiać się zbytnio na aspekcie fototranzystora w tym pytaniu. Pasmo przenoszenia wynosi około 1-10 kHz. Wspólny kolektor prawie działa; Podniosłem Re tak wysoko, jak to możliwe, przy zachowaniu żądanej przepustowości, ale nadal chciałbym Re około 2x większy, co powoduje, że sygnał jest zbyt wolny.

W ciągu ostatnich 2 dni starałem się samodzielnie wykonać projekt przy bardzo niskim poziomie światła, używając fotodiod i fototranzystorów. To jest dla ludzi takich jak ja i oryginalny plakat, którzy przesuwają wykrywanie światła bez fotopowielacza do granicy (poniżej 0,1 mW / cm ^ 2).

Spojrzałem na pierwszy moduł odbiornika, a jego minimalne wykrycie natężenia napromienienia wynosiło 0,2 mW / m ^ 2, co stanowi około 10 000 razy więcej (mniej zdolności) niż to, co mogą robić dyskretne fotodiody i fototranzystory (może oznaczały one cm ^ 2 zamiast m ^ 2? ). Ani też nie są dobre dla naprawdę niskich poziomów światła zgodnie z „Art of Electronics” (1 uA na uW światła na stronie 996), całkowicie niezdolnymi do zbliżenia się do tego, co może zrobić ludzkie oko z powodu prądu upływowego i hałasu. Opisuje użycie fotopowielaczy, które mogą być wymagane, jeśli poziom oświetlenia jest zbyt niski. Jednak w świecącym świetle przez palce w dobrze oświetlonym pokoju widzę, czego moje oko nie może wykryć na oscyliscope (zarówno z PhotoDiode, jak i PhotoTransistor).

Zakładając, że jego 1 uA na uW jest poprawny, oto przykład: fotodiody 5 mm i fototranzystory mają powierzchnię 20 mikro m ^ 2. Tak więc 1 uW / m ^ 2 (1/1 tysięcznego światła słonecznego w południe) wytworzyłby 20 uA (zgodnie z Art of Electr). [[1/1 000 światła słonecznego w południe to 1 W / m ^ 2, co jest około dwa razy silniejsze niż 20 W światła żarowego z odległości 1 metra (moc wyjściowa 6 W na powierzchnię 12 m ^ 2 otaczającej kuli). ]]

Jednak mój arkusz danych fototranzystora 880 nm wskazuje 600 uA przy 1 W / m ^ 2 (0,1 mW / cm ^ 2), co jest 30 razy więcej. Zakłada się, że całe światło znajduje się w aktywnym zakresie połączenia diody.

Sharp ma znacznie lepszą notę ​​aplikacyjną, ale wydaje się, że brakuje mu wyjaśnienia, który projekt jest najlepszy w jakich sytuacjach. Rycina 13 najlepiej pasuje do tego, czego potrzebuję oryginalny plakat, a rycina 10B jest bardzo interesująca, ale nie wiem, co oznaczają przez „poprawę odpowiedzi”. http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

W przypadku zastosowania ze wzmacniaczem operacyjnym fototranzystor może nie być w stanie uzyskać tak dobrego wzmocnienia jak fotodioda dla bardzo niskich poziomów światła, ponieważ wykorzystuje „tani” sposób uzyskania początkowego wzmocnienia (tranzystor zamiast wzmacniacza operacyjnego). Podejrzewam, że fotodioda ze wzmacniaczem operacyjnym JFET (bardzo niski prąd wejściowy) ostatecznie zapewni wyższy zysk przy mniejszym szumie. W każdym razie fotodioda lub fototranzystor z największym optycznym obszarem odbiorczym może mieć najlepszą zdolność do wykrywania niskich poziomów światła, ale może to również zwiększać hałas i wyciek o proporcjonalną ilość i zwykle stanowią one podstawowy problem. Istnieje więc ograniczenie tego rodzaju detekcji światła, a idealnie wydajne fototranzystory i fotodiody mogą ostatecznie być równie dobre, gdy są używane ze wzmacniaczem operacyjnym, ale teoretycznie podejrzewam, że fotodioda jest nieco lepsza.

W przypadku wzmacniacza operacyjnego z podwójnym zasilaniem można użyć pary rezystorów o niskiej wartości (dwa 1k dla 10 V Vcc, aby uzyskać odchylenie 5 mA), aby rozdzielić napięcie, aby stworzyć fałszywe uziemienie dla + Vin.

Znalazłem R = 1M dla rezystora sprzężenia zwrotnego znacznie lepiej niż R = 4,7M. Forrest Mimms w swojej prostej książce opto użył 10 M z równoległym 0,002uF i ogniwem słonecznym zamiast fototranzystora lub fotodiody dla „skrajnie” niskich poziomów światła (być może ogniwo słoneczne byłoby lepsze dla twojej aplikacji) Wydaje się, że wszystkie PN złącza wydają się do pewnego stopnia działać jako ogniwo słoneczne, ponieważ czytałem o zastosowaniu jasnych, małych obudów diod sygnałowych do wykrywania światła. Używam zwykłej diody LED 830 nm jako mojej „fotodiody”.

Duże znaczenie ma kąt obiektywu dowolnej diody optycznej 5 mm. +/- 10 stopni jest mniej więcej 4 razy bardziej czułe niż +/- 20 stopni .... jeśli źródło światła dochodzi z mniej niż +/- 10 stopni. Jeśli źródłem światła jest duży obszar o +/- 20 stopni z przodu, nie ma to znaczenia.

Testowałem dwa obwody poniżej. Mogłem wykryć impulsy 0,3 V, 5 ms na Vo fototranzystora, co oznacza 0,3 uA, co oznacza 0,05 uW / cm ^ 2, jeśli mój odczyt arkusza danych jest prawidłowy i jeśli pozostał liniowy (duży ifs) aż do 0,3uA. Może było to 5 uW / cm ^ 2. Jeśli 0,05 uW / cm ^ 2 jest poprawne, wówczas standardowa dioda LED 830 odczytywała do 0,5 uW / cm ^ 2. Świeciłem światłem 10 mW 830 nm przez 1 cm tkanki (mój palec). Wiem, że gdyby poziomy światła, z którymi pracowałem, były czerwone, byłby ledwo widoczny. Poniższy link pokazuje użycie 500 MΩ sprzężenia zwrotnego z fotodiodą, co wskazuje na znacznie niższe poziomy światła. Zwróć uwagę na orientację ich fotodiody, która jest taka sama jak mojej diody LED (wstecz od większości łączy internetowych). W ten sposób uzyskałem lepsze wyniki.

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

Myślałem też o odwróconym wzmacniaczu wzmacniacza operacyjnego. Najmilszą rzeczą byłby podwójny zasilacz, abyś nie musiał uprzedzać wejść, aby stworzyć wirtualną masę. Zdjęcie pokazuje schemat. Będziesz miał dodatni sygnał odniesiony do ziemi: więcej światła = wyższe napięcie wyjściowe.

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

Ponieważ masz tylko jeden zapas, będziesz musiał użyć wirtualnej ziemi, którą umieściłbym na pół $V_{CC}$. Musisz odchylać oba wejścia, dane wyjściowe również będą miały takie odchylenie.

edytuj dd. 2012-08-15
W tej odpowiedzi Alfred pokazał, że fotodioda będzie również pochłaniać prąd bez spadku napięcia na nim. Oznacza to, że nie potrzebujemy podaży ujemnej i możliwa jest jedna podaż:

Upewnij się, że jest to opamp RRIO (Rail-to-Rail I / O).

edytuj
W powyższym zakładałem, że chcesz mierzyć poziomy światła, tj. wartości analogowe. Ale ponowne przeczytanie pytania nigdzie nie mówi, że tak. Wzmianka o prędkości sugeruje odbiór kodu tętna. Jeśli tego właśnie chcesz, jak wygląda sygnał? Jaka długość fali (podczerwień lub światło widzialne?) Nie możesz użyć modułu odbiornika podczerwieni ?

Jeśli naprawdę potrzebujesz elastyczności, zastanów się nad użyciem fotodiody zamiast fototranzystora - już budujesz wzmacniacz transimpedancyjny, więc dlaczego nie pójść na całość?

Jest też świetna książka na ten temat, zawierająca wiele szczegółowych przykładów obwodów, zapewniająca niski poziom hałasu i / lub dużą prędkość.
Budowanie systemów elektrooptycznych: jak to działa, Hobbs .