Fototransistor-Transimpedanzverstärker

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

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.

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

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.

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

$V_{CC}$

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:

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

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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 ?

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?

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Aufbau elektrooptischer Systeme: Damit alles funktioniert, von Hobbs .