Фототранзисторный трансимпедансный усилитель

У меня есть типичный NPN фототранзистор. У меня это работает в конфигурации с общим коллектором; см. рисунок 2 этой заметки приложения .

Увеличение Re увеличит чувствительность, но уменьшит скорость. Я изучаю фототранзисторы уже несколько дней и думаю, что усилитель с трансимпедансом может дать мне дополнительную чувствительность, не жертвуя скоростью, так как у меня больше не будет повторной загрузки эмиттера.

Тем не менее, я не могу найти простые реализации. Подавляющее большинство заметок в приложениях описывают фотодиоды. В отличие от фотодиода, фототранзистор должен быть смещен, и несколько замечаний по применению, которые обсуждают использование фототранзисторов, предполагают наличие отрицательного напряжения смещения в их усилителях трансимпеданса. Мне нужно решение, которое работает с одним операционным усилителем.

Будет ли виртуальное заземление на неинвертирующем входе усилителя трансимпеданса правильно смещать фототранзистор? Обычно виртуальная земля находится на полпути между VCC и GND, но я не думаю, что это так. Напряжение насыщения моего фототранзистора 0,15 В; учитывая VCC = 3,3 В, означает ли это, что моя виртуальная земля может быть на ~ 3 В?

Есть ли лучший способ разработать эту схему? Я бы хотел, чтобы выходной сигнал был как можно ближе к GND, потому что, вероятно, будет усилитель второй ступени.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Подробнее о приложении. Я чувствую уровни света; низкий, очень низкий и выкл. С рассеянным светом проблем нет, поэтому я бы не стал слишком сильно фокусироваться на аспекте фототранзистора. Интересующая полоса частот составляет около 1-10 кГц. Общий коллектор почти работает; Я поднял Re настолько высоко, насколько это возможно, сохраняя желаемую полосу пропускания, но я все равно хотел бы, чтобы Re был примерно в 2 раза больше, что приводит к слишком медленному сигналу.

Последние два дня я пытался сделать проект с очень низким уровнем освещенности с помощью фотодиодов и фототранзисторов. Это для людей вроде меня и оригинального плаката, которые выдвигают детектирование света без фотоумножителя до предела (ниже 0,1 мВт / см ^ 2).

Я посмотрел на первый модуль приемника, и его минимальное обнаружение излучения составило 0,2 мВт / м ^ 2, что примерно в 10 000 раз больше (меньше возможностей), чем то, что могут сделать дискретные фотодиоды и фототранзисторы (возможно, они имели в виду см ^ 2 вместо m ^ 2? ). Ни один из них не подходит для действительно низких уровней освещенности в соответствии с «Art of Electronics» (1 мкА на мкВт света на стр. 996), совершенно не способных приблизиться к тому, что может сделать человеческий глаз из-за тока утечки и шума. Он описывает использование фотоумножителей, которые могут потребоваться, если уровень освещения слишком низкий. Тем не менее, светя сквозь пальцы в хорошо освещенной комнате, я вижу, что мой глаз не может обнаружить на осциллографе (с фотодиодом или фототранзистором).

Предполагая, что его 1 мкА на мкВт является правильным, вот пример: 5-мм фотодиоды и фототранзисторы имеют площадь 20 мкм 2. Таким образом, 1 мкВт / м ^ 2 (1/1000 полуденного солнечного света) будет генерировать 20 мкА (в соответствии с Art of Electr). [[1/1000 солнечного света в полдень составляет 1 Вт / м ^ 2, что примерно в два раза сильнее, чем 20 Вт накаливания на 1 м (выходная мощность 6 Вт на площадь поверхности 12 м ^ 2 окружающей сферы). ]]

Тем не менее, мой 880nm фототранзистор спецификации указывает 600 мкА при 1 Вт / м ^ 2 (0,1 мВт / см ^ 2), что в 30 раз больше. Это предполагает, что весь свет находится в пределах активного диапазона диодного перехода.

У Sharp гораздо лучше замечание по применению, но, похоже, ему не хватает объяснения, какой дизайн лучше подходит для каких ситуаций. Рисунок 13 наиболее применим к тому, какой оригинальный плакат и мне нужен, а рисунок 10B очень интересен, но я не знаю, что они имеют в виду под «улучшением реакции». http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

При использовании с операционным усилителем фототранзистор может не обладать таким же хорошим коэффициентом усиления, как фотодиод для очень низких уровней освещенности, поскольку он использует «дешевый» метод получения своего начального усиления (транзистор вместо операционного усилителя). Я подозреваю, что фотодиод с операционным усилителем JFET (очень низкий входной ток) в конечном итоге обеспечит более высокое усиление при меньшем уровне шума. В любом случае фотодиод или фототранзистор с самой большой оптической приемной областью может обладать наилучшей способностью обнаруживать низкие уровни освещенности, но это также может увеличить шум и утечку на пропорциональную величину, и они обычно являются основной проблемой. Таким образом, существует предел для этого типа обнаружения света, и идеально эффективные фототранзисторы и фотодиоды могут в конечном итоге быть одинаково хорошими при использовании с операционным усилителем, но теоретически я подозреваю, что фотодиод немного лучше.

Для операционного усилителя с двумя источниками питания можно использовать пару резисторов с «низкой» оценкой (два 1 кОм для 10 В пост. Тока, чтобы получить смещение 5 мА), чтобы разделить напряжение и создать ложное заземление для + Vin.

Я нашел R = 1M для резистора обратной связи намного лучше, чем R = 4,7M. Форрест Миммс в своей простой книге опт использовал 10 М с параллельным 0,002 мкФ и солнечную батарею вместо фототранзистора или фотодиода для "крайне" низких уровней освещенности "(возможно, солнечная батарея была бы лучше для вашего приложения) Кажется, все PN кажется, что соединения в некоторой степени функционируют как солнечный элемент, поскольку я читал об использовании небольших сигнальных диодов в прозрачном корпусе для обнаружения света. В качестве «фотодиода» я использую обычный 830 нм светодиод.

Угол объектива любого 5-мм оптического диода, который вы используете, имеет большое значение. +/- 10 градусов примерно в 4 раза более чувствительны, чем +/- 20 градусов .... если источник света приближается от +/- 10 градусов. Если источником света является большая область, которая находится на +/- 20 градусов впереди, то это не имеет значения.

Я проверил две схемы ниже. Я мог обнаружить 0,3 В, 5 мс импульсов на Vo фототранзистора, что означает 0,3 мкА, что означает 0,05 мкВт / см ^ 2, если мое чтение таблицы данных правильное, и если оно оставалось линейным (большие if) вплоть до 0,3 мкА. Может быть, это было 5 мкВт / см ^ 2. Если 0,05 мкВт / см ^ 2 правильно, то готовый светодиод 830 считывал значение до 0,5 мкВт / см ^ 2. Я светил 10 мВт 830 нм через 1 см ткани (мой палец). Я знаю, что если бы уровни освещения, с которыми я работал, были красными, это было бы едва заметно. Ссылка ниже показывает использование обратной связи на 500 МОм с фотодиодом, что указывает на гораздо более низкие уровни освещенности. Обратите внимание на ориентацию их фотодиода, который совпадает с моим светодиодом (в обратном направлении от большинства интернет-ссылок). Я получил лучшие результаты таким образом.

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

Я также думал о инвертирующем операционном усилителе. Самым приятным будет двойной источник питания, так что вам не придется смещать входы, чтобы создать виртуальную землю. На рисунке показана схема. Вы получите положительный сигнал с заземлением: больше света = более высокое выходное напряжение.

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

$V_{CC}$

редактировать дд. 2012-08-15
В этом ответе Альфред показал, что фотодиод также будет пропускать ток без падения напряжения на нем. Это означает, что нам не нужен отрицательный запас, и возможен один источник:

Убедитесь, что это операционный усилитель RRIO (Rail-to-Rail).

edit
В вышеизложенном я предположил, что вы хотите измерить уровни освещенности, то есть аналоговые значения. Но перечитывая твой вопрос, он нигде не говорит, что ты делаешь. Упоминание о скорости предполагает получение импульсного кода. Если это то, что вы хотите, как выглядит сигнал? Какова длина волны (ИК или видимый свет?) Не можете ли вы использовать модуль ИК-приемника ?

Если вам действительно нужна гибкость, рассмотрите возможность использования фотодиода вместо фототранзистора - вы уже строите трансимпедансный усилитель, так почему бы не пойти до конца?

Кроме того, есть отличная книга по этому вопросу, с множеством подробных примеров схем, для низкого уровня шума и / или высокой скорости.
Построение электрооптических систем: заставить все работать, Хоббс .