Fototransistor-Transimpedanzverstärker

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Ich habe einen typischen NPN-Fototransistor. Ich habe es in einer Common-Collector-Konfiguration arbeiten; siehe Abbildung 2 dieses App-Hinweises .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Durch Erhöhen von Re wird die Empfindlichkeit erhöht, aber die Geschwindigkeit verringert. Ich studiere seit einigen Tagen Fototransistoren und denke, dass ein Transimpedanzverstärker mir zusätzliche Empfindlichkeit verleihen kann, ohne die Geschwindigkeit zu beeinträchtigen, da ich den Emitter nicht mehr neu laden muss.

Ich kann jedoch keine einfachen Implementierungen finden. Die überwiegende Mehrheit der App-Notizen beschreibt Fotodioden. Im Gegensatz zu einer Fotodiode muss ein Fototransistor vorgespannt werden, und die wenigen Anwendungshinweise, die die Verwendung von Fototransistoren diskutieren, setzen das Vorhandensein einer negativen Vorspannung in ihren Transimpedanzverstärkern voraus. Ich brauche eine Lösung, die mit einem Operationsverstärker mit einer Versorgung funktioniert.

Würde eine virtuelle Masse am nichtinvertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers den Fototransistor korrekt vorspannen? Normalerweise liegt der virtuelle Boden auf halbem Weg zwischen VCC und GND, aber ich denke nicht, dass es so sein muss. Meine Fototransistorsättigungsspannung beträgt 0,15 V; Bedeutet das bei VCC = 3,3 V, dass meine virtuelle Masse bei ~ 3 V liegen könnte?

Gibt es eine bessere Möglichkeit, diese Schaltung zu entwerfen? Ich möchte, dass der Ausgang so nah wie möglich an GND kommt, da es wahrscheinlich einen Verstärker der zweiten Stufe geben wird.

BEARBEITEN:

Weitere Details zur Anwendung. Ich spüre Lichtverhältnisse; niedrig, sehr niedrig und aus. Es gibt keine Probleme mit dem Umgebungslicht, daher möchte ich mich lieber nicht zu sehr auf den Fototransistor-Aspekt dieser Frage konzentrieren. Die interessierende Bandbreite liegt bei 1-10 kHz. Der gemeinsame Sammler arbeitet fast ; Ich habe Re so hoch wie möglich angehoben, während ich die gewünschte Bandbreite beibehalten habe, aber ich möchte immer noch, dass Re etwa doppelt so groß ist, was zu einem zu langsamen Signal führt.

ajs410
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Schauen Sie sich den Empfänger an, der für das RONJA-Projekt entwickelt wurde: ronja.twibright.com/schematics
Optimal Cynic
Es gibt keinen "typischen NPN-Fototransistor"? Warum sagst du uns nicht einfach, um welchen Typ es sich handelt? Auch, wie ich in meiner bearbeiteten Antwort geschrieben habe: Was ist die Anwendung? Lichtverhältnisse, Code-Empfang? Sichtbares Licht, IR? usw. usw.
Stevenvh
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Sicher gibt es so etwas. Suchen Sie digikey nach "npn photo transistor", mitteln Sie alle Werte in den Datenblättern zusammen (z. B. Vcesat, Vceo, Ic usw.), und ich würde das "typisch" nennen. Letztendlich ist es ein Hinweis darauf, dass die Verstärkerschaltung wichtiger ist
ajs410

Antworten:

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Ich habe in den letzten 2 Tagen versucht, selbst ein Projekt mit sehr schlechten Lichtverhältnissen mit Fotodioden und Fototransistoren durchzuführen. Dies ist für Leute wie mich und das Originalplakat, die die Lichtdetektion ohne Fotovervielfacher an ihre Grenzen bringen (unter 0,1 mW / cm ^ 2).

Ich habe mir das erste Empfängermodul angesehen und seine minimale Bestrahlungsstärkemessung betrug 0,2 mW / m ^ 2, was ungefähr 10.000 Mal mehr (weniger leistungsfähig) ist als das, was diskrete Fotodioden und Fototransistoren können (vielleicht bedeuteten sie cm ^ 2 anstelle von m ^ 2? ). Beides ist laut "Art of Electronics" (1 uA pro uW Licht, Seite 996) nicht für wirklich niedrige Lichtverhältnisse geeignet und kann aufgrund von Leckstrom und Rauschen nicht in die Nähe dessen gelangen, was das menschliche Auge tun kann. Er beschreibt die Verwendung von Fotovervielfachern, die erforderlich sein können, wenn Ihre Lichtverhältnisse zu niedrig sind. Wenn ich jedoch in einem gut beleuchteten Raum Licht durch meine Finger strahle, kann ich sehen, was mein Auge auf einem Oszilliskop (entweder mit PhotoDiode oder PhotoTransistor) nicht erkennen kann.

Unter der Annahme, dass seine 1 uA pro uW korrekt sind, ist hier ein Beispiel: 5-mm-Fotodioden und Fototransistoren haben eine Fläche von 20 Mikrometern. 1 uW / m ^ 2 (1/1000 des Mittagssonnenlichts) würde also 20 uA erzeugen (gemäß Art of Electr). [[1/1000 des Mittagssonnenlichts beträgt 1 W / m ^ 2, was ungefähr doppelt so stark ist wie ein 20W-Einfallslicht bei 1 Meter (6W Lichtleistung in 12 m ^ 2 Oberfläche einer umgebenden Kugel). ]]

Mein 880-nm-Fototransistor-Datenblatt zeigt jedoch 600 uA bei 1 W / m 2 (0,1 mW / cm 2) an, was 30-mal mehr ist. Dies setzt voraus, dass sich das gesamte Licht im aktiven Bereich des Diodenübergangs befindet.

Sharp hat eine viel bessere Anwendungsnotiz, aber es scheint nicht zu erklären, welches Design für welche Situationen am besten geeignet ist. Abbildung 13 ist am besten für das Originalposter geeignet, das ich benötige, und Abbildung 10B ist sehr interessant, aber ich weiß nicht, was sie unter "Verbesserung der Reaktion" verstehen. http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Bei Verwendung mit einem Operationsverstärker kann ein Fototransistor bei sehr niedrigen Lichtpegeln möglicherweise nicht so gut wie eine Fotodiode eine Verstärkung erzielen, da er eine "billige" Methode zur Ermittlung seiner Anfangsverstärkung verwendet (Transistor anstelle eines Operationsverstärkers). Ich vermute, dass eine Fotodiode mit einem JFET-Operationsverstärker (sehr niedriger Eingangsstrom) letztendlich eine höhere Verstärkung bei weniger Rauschen liefert. In jedem Fall kann die Fotodiode oder der Fototransistor mit der größten optischen Empfangsfläche die beste Fähigkeit haben, niedrige Lichtpegel zu erfassen, aber dies kann auch das Rauschen und die Leckage um einen proportionalen Betrag erhöhen und sie sind normalerweise das zugrunde liegende Problem. Diese Art der Lichtdetektion ist also begrenzt, und ideal effiziente Fototransistoren und Fotodioden können letztendlich bei Verwendung mit einem Operationsverstärker gleich gut sein, aber theoretisch vermute ich, dass die Fotodiode etwas besser ist.

Für den Dual-Supply-Operationsverstärker können Sie ein Widerstandspaar mit "niedrigem" Wert (zwei 1k für 10V Vcc, um eine Vorspannung von 5 mA zu erhalten) verwenden, um die Spannung zu teilen und eine falsche Masse für das + Vin zu erzeugen.

Ich fand R = 1 M für den Rückkopplungswiderstand viel besser als R = 4,7 M. Forrest Mimms verwendete in seinem einfachen Optobuch eine 10 M mit einer parallelen 0,002 uF und einer Solarzelle anstelle eines Fototransistors oder einer Fotodiode für "extrem" niedrige Lichtverhältnisse (vielleicht wäre eine Solarzelle für Ihre Anwendung besser). Es scheint alles PN Übergänge scheinen in gewissem Maße als Solarzelle zu funktionieren, da ich gelesen habe, dass zur Erkennung von Licht klar ummantelte kleine Signaldioden verwendet werden. Ich verwende eine normale 830-nm-LED als "Fotodiode".

Der Linsenwinkel der von Ihnen verwendeten optischen 5-mm-Diode macht einen großen Unterschied. +/- 10 Grad sind ungefähr 4-mal empfindlicher als +/- 20 Grad .... wenn die Lichtquelle von weniger als +/- 10 Grad hereinkommt. Wenn die Lichtquelle ein großer Bereich ist, der +/- 20 Grad vor Ihnen liegt, spielt dies keine Rolle.

Ich habe die beiden folgenden Schaltkreise getestet. Ich konnte 0,3 V, 5 ms Impulse auf dem Vo des Fototransistors erfassen, was 0,3 uA bedeutet, was 0,05 uW / cm 2 bedeutet, wenn ich das Datenblatt korrekt gelesen habe und es bis zu 0,3 uA linear blieb (großes Wenn). Vielleicht waren es 5 uW / cm ^ 2. Wenn 0,05 uW / cm 2 korrekt sind, wurde die 830-LED von der Stange auf 0,5 uW / cm 2 abgelesen. Ich strahlte 10 mW 830 nm Licht durch 1 cm Gewebe (mein Finger). Ich weiß, wenn die Lichtverhältnisse, mit denen ich gearbeitet habe, rot wären, wäre sie kaum sichtbar gewesen. Der folgende Link zeigt die Verwendung einer 500-M-Ohm-Rückkopplung mit einer Fotodiode, was auf viel niedrigere Lichtpegel hinweist. Beachten Sie die Ausrichtung ihrer Fotodiode, die mit meiner LED übereinstimmt (rückwärts von den meisten Internet-Links). Auf diese Weise habe ich bessere Ergebnisse erzielt.

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

Fototransistor mit JFET-Operationsverstärker für niedrige Lichtverhältnisse

5 mm 830 nm LED anstelle einer Fotodiode mit JFET-Operationsverstärker

Scott Roberts
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Ich habe dies vor der Bearbeitung gepostet und sofort 3 negative Stimmen erhalten. Hoffentlich wird die bearbeitete Version nicht so sehr gemocht.
Scott Roberts
Es ist ein bisschen wortreich, und Sie haben nicht die ganze Transimpedanz-Opamp-Sache angesprochen, nach der das Originalplakat gefragt hat. Aber du bist neu hier, also gebe ich dir die +1 für Mühe.
Er sagt, dass das Erhöhen von Re die Bandbreite verringert. Ich dachte, es würde keine Wirkung haben. In Bezug auf seine nachfolgenden Kommentare ist Abbildung 13 des von mir bereitgestellten Links eine Antwort auf seine Anfrage nach einem bestimmten Design. Auch 10B ist eine interessante Idee, die "die Reaktion verbessert", was auch immer das bedeutet (Verstärkung, BW oder beides?). Wenn er es bei zu niedrigen Lichtverhältnissen nicht zum Laufen bringen kann, sind "Fotovervielfacher", "Linse" oder "Lichtquelle erhöhen" mögliche Antworten.
Scott Roberts
+1 für die tatsächliche Beantwortung der Frage nach Verstärkerschaltungen mit einer Versorgung für Fototransistoren.
Ajs410
3

Ich dachte auch an einen invertierenden Operationsverstärker. Das Schönste wäre eine doppelte Stromversorgung, damit Sie die Eingänge nicht vorspannen müssen, um eine virtuelle Masse zu erstellen. Das Bild zeigt den Schaltplan. Sie erhalten ein positives erdbezogenes Signal: mehr Licht = höhere Ausgangsspannung.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

V.ÖU.T.=ichP.H.ÖT.ÖT.R.EINN.S.ichS.T.ÖR.×R.F.E.E.D.B.EINC.K.

V.C.C.

bearbeiten dd. 2012-08-15
In dieser Antwort zeigte Alfred, dass eine Fotodiode auch Strom ohne Spannungsabfall über sie aufnehmen wird. Das heißt, wir brauchen keine negative Versorgung und eine einzige Versorgung ist möglich:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Stellen Sie sicher, dass es sich um einen RRIO-Opamp (Rail-to-Rail I / O) handelt.

bearbeiten
Oben habe ich angenommen, dass Sie Lichtpegel messen möchten, dh analoge Werte. Aber wenn Sie Ihre Frage noch einmal lesen, heißt es nirgends, dass Sie es tun. Die Erwähnung der Geschwindigkeit deutet auf einen Empfang des Impulscodes hin. Wenn Sie das möchten, wie sieht das Signal aus? Was ist die Wellenlänge (IR oder sichtbares Licht?) Können Sie kein IR-Empfängermodul verwenden ?

stevenvh
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Ich habe die Frage mit zusätzlichen Anwendungsinformationen aktualisiert. Leider muss ich einen Operationsverstärker mit einer Versorgung verwenden. Nach dem, was ich gelesen habe, benötigt der Transimpedanzverstärker wahrscheinlich einen Rückkopplungskondensator parallel zum Widerstand, um dies zu kompensieren. Glücklicherweise wird die Bandbreitenreduzierung dieser Feedback-Obergrenze für mich wahrscheinlich kein Problem sein.
Ajs410
2

Wenn Sie wirklich Flexibilität benötigen, sollten Sie eine Fotodiode anstelle eines Fototransistors verwenden. Sie bauen bereits einen Transimpedanzverstärker. Warum also nicht den ganzen Weg gehen?

Es gibt auch ein großartiges Buch zu diesem Thema mit vielen detaillierten Schaltungsbeispielen für geringes Rauschen und / oder hohe Geschwindigkeit.
Aufbau elektrooptischer Systeme: Damit alles funktioniert, von Hobbs .

Windell Oskay
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+1 für "warum nicht eine Fotodiode verwenden".
Optimaler Zyniker
4
Fotodioden sind zu schnell. Photodarlingtons sind zu langsam. Fototransistoren sind genau richtig - mit einem guten Verstärker. Fotodioden erfordern auch mehr Verstärkung in einer Schaltung mit einer bereits großen Verstärkung; Sie würden wahrscheinlich irgendwo einen Transistor benötigen, und an diesem Punkt hat ein Fototransistor den Transistor auf dem Chip und nicht am Ende einiger Spuren.
Ajs410
"Zu schnell?" Mit billigen, winzigen Kondensatoren können Sie immer langsamer fahren. Oder verwenden Sie eine größere, langsamere Fotodiode - nicht alle Fotodioden sind schnell. Und Operationsverstärkerschaltungen können zu einer lächerlich hohen Verstärkung führen - im Normalfall können Sie einen Operationsverstärker ODER einen Transistor verwenden.
Windell Oskay
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Warum einen diskreten Transistor auf meiner Leiterplatte verwenden, wenn der Fototransistor ihn auf dem Chip integriert hat? Und mit einer lächerlich hohen Verstärkung geht eine Anforderung an eine lächerlich niedrige Offset-Spannung einher. Ich suche eine Verstärkerschaltung für einen Fototransistor. Ich schätze den Buchvorschlag, aber er scheint solche Beispiele nicht zu enthalten.
Ajs410