являются одним из самых популярных типов датчиков для многих измерений на основе света. Такие приложения, как абсорбционная и эмиссионная спектроскопия, измерение цвета, определение мутности, обнаружение газов и многое другое, полагаются на фотодиоды для точного измерения света.

Фотодиоды генерируют ток, пропорциональный свету, падающему на их активную область. В большинстве измерительных приложений используется трансимпедансный усилитель для преобразования тока фотодиода в выходное напряжение. На рис. 1 показана упрощенная схема того, как может выглядеть схема.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’&gt ;

Рис. 1. Схема простого трансимпедансного усилителя.

Эта схема управляет фотодиодом в фотогальваническом режиме, когда операционный усилитель поддерживает напряжение на фотодиоде равным 0 В. Это наиболее распространенная конфигурация для прецизионных приложений. Кривая зависимости напряжения фотодиода от тока очень похожа на кривую обычного диода, за исключением того, что вся кривая будет смещаться вверх или вниз при изменении уровня освещенности. На рис. 2а показана типичная передаточная функция фотодиода. Рисунок 2b представляет собой увеличенное изображение передаточной функции, и оно показывает, как фотодиод выдает небольшой ток даже при отсутствии света.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’&gt ;

Рис. 2. Типичная передаточная функция фотодиода.

Ток течет от катода к аноду, когда свет падает на активную область фотодиода. В идеале весь ток фотодиода протекает через резистор обратной связи на рис. 1, генерируя выходное напряжение, равное току фотодиода, умноженному на резистор обратной связи. Схема концептуально проста, но есть несколько проблем, которые вы должны решить, чтобы получить от вашей системы максимально возможную производительность.

Соображения постоянного тока

Первая задача — выбрать операционный усилитель с характеристиками постоянного тока, которые соответствуют требованиям вашего приложения. Большинство прецизионных приложений будут иметь низкое входное напряжение смещения в верхней части списка. Входное напряжение смещения появляется на выходе усилителя, внося свой вклад в общую ошибку системы, а в фотодиодном усилителе оно создает дополнительную ошибку. Входное напряжение смещения появляется на фотодиоде и вызывает увеличение темнового тока, что еще больше увеличивает системную ошибку смещения. Вы можете удалить начальное смещение постоянного тока с помощью программной калибровки, связи по переменному току или их комбинации, но большие ошибки смещения уменьшают динамический диапазон системы. К счастью, существует широкий выбор операционных усилителей с входным напряжением смещения в сотни и даже десятки микровольт.

Следующей важной характеристикой постоянного тока является входной ток утечки операционного усилителя. Любой ток, поступающий на вход операционного усилителя или куда-либо еще, кроме резистора обратной связи, приводит к ошибкам измерения. Не существует операционных усилителей с нулевым входным током смещения, но некоторые входные операционные усилители на КМОП или полевых транзисторах приближаются к этому.

Еще одной задачей является разработка схемы и компоновки для минимизации внешних путей утечки, которые могут ухудшить характеристики вашего операционного усилителя с малым входным током смещения. Наиболее распространенный путь внешней утечки — через саму печатную плату. Например, на рис. 3 показана одна из возможных компоновок схемы фотодиодного усилителя на рис. 1. Розовая дорожка — это шина +5 В, которая питает усилитель и идет к другим частям платы. Если сопротивление через плату между дорожкой +5 В и дорожкой, по которой течет ток фотодиода, составляет 5 ГОм (обозначено как R _L на рис. 3), ток силой 1 нА будет течь от дорожки +5 В к усилителю. Это, очевидно, противоречит цели тщательного выбора операционного усилителя с током 1 пА для приложения. Одним из способов минимизировать этот внешний путь утечки является увеличение сопротивления между дорожкой, по которой протекает ток фотодиода, и любыми другими дорожками. Это может быть так же просто, как добавление большого ограничителя трассировки вокруг трассы, чтобы увеличить расстояние до других трасс. Для некоторых экстремальных приложений некоторые инженеры полностью исключают разводку печатной платы и пропускают вывод фотодиода по воздуху непосредственно на входной контакт операционного усилителя.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure3. png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’&gt ;

Рис. 3. Схема расположения фотодиода с путем утечки.

Еще один способ предотвратить внешнюю утечку — проложить защитную дорожку рядом с дорожкой, по которой протекает ток фотодиода, убедившись, что обе они питаются от одного и того же напряжения. На рис. 4 показана защитная дорожка вокруг сети, по которой течет ток фотодиода. Ток утечки, вызванный дорожкой +5 В, теперь протекает через резистор R 9.0194 L в защитную дорожку, а не в усилитель. В этой схеме разница напряжений между защитной дорожкой и входной дорожкой обусловлена ​​только входным напряжением смещения операционного усилителя, что является еще одной причиной для выбора усилителя с низким входным напряжением смещения.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure4. png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’&gt ;

Рис. 4. Использование защитной трассы для уменьшения внешней утечки.

Рекомендации по переменному току

Хотя большинство приложений для прецизионных фотодиодов, как правило, имеют низкое быстродействие, нам все же необходимо убедиться, что производительность системы по переменному току достаточна для данного приложения. Двумя основными проблемами здесь являются ширина полосы сигнала (или полоса пропускания с обратной связью) и ширина полосы шума.

Полоса пропускания обратной связи зависит от полосы пропускания усилителя без обратной связи, коэффициента усиления и общей входной емкости. Входная емкость фотодиода может широко варьироваться от нескольких пикофарад для высокоскоростных фотодиодов до нескольких тысяч пикофарад для прецизионных фотодиодов с очень большой площадью. Однако добавление емкости на вход операционного усилителя приводит к его нестабильности, если только вы не компенсируете это добавлением емкости на резисторе обратной связи. Емкость обратной связи ограничивает полосу пропускания системы с обратной связью. Вы можете использовать уравнение 1, чтобы вычислить максимально возможную полосу пропускания с обратной связью, которая даст запас по фазе в 45 градусов.

Где:

f _U – частота единичного усиления усилителя.

R _F — резистор обратной связи.

С _В входная емкость, в которую входит емкость диода и любые другие паразитные емкости на плате и т.д.

C _M — синфазная емкость операционного усилителя.

C _D — дифференциальная емкость операционного усилителя.

Например, если у вас есть приложение с емкостью фотодиода 15 пФ и трансимпедансным усилением 1 МОм, уравнение 1 предсказывает, что вам потребуется усилитель с полосой единичного усиления около 95 МГц для достижения полосы пропускания сигнала 1 МГц. Это с запасом по фазе 45°, который вызовет пики при ступенчатых изменениях сигнала. Возможно, вы захотите уменьшить пики, разработав запас по фазе 60° или выше, что потребует более быстрого усилителя. Вот почему такие компоненты, как ADA4817-1, с максимальным входным током смещения 20 пА и частотой единичного усиления около 400 МГц, хорошо подходят для фотодиодных приложений с высоким коэффициентом усиления даже при средней полосе пропускания.

Емкость фотодиода будет доминировать над общей входной емкостью в большинстве систем, но для некоторых приложений может потребоваться особая осторожность при выборе операционного усилителя с очень низкой входной емкостью. Чтобы решить эту проблему, некоторые операционные усилители доступны со специальной схемой выводов, предназначенной для уменьшения входной емкости. Например, на рис. 5 показана разводка выводов ADA4817-1, которая направляет выход операционного усилителя на контакт, расположенный рядом с инвертирующим входом.

<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure5.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 5’&gt ;

Рис. 5. Схема выводов ADA4817-1 оптимизирована для обеспечения низкой паразитной емкости.

Системный шум обычно является еще одной проблемой при разработке с фотодиодами. Основной вклад в выходной шум вносят шум входного напряжения усилителя и шум Джонсона резистора обратной связи. Шум от резистора обратной связи появляется на выходе без дополнительного усиления. Если вы увеличите размер резистора для усиления тока фотодиода, увеличение шума из-за резистора усиления будет увеличиваться только на квадратный корень из увеличения значения резистора. С практической точки зрения это означает, что лучше иметь максимально возможное усиление фотодиодного усилителя, чем добавлять второй усилительный каскад, где шум будет увеличиваться линейно с усилением.

Выходной шум усилителя представляет собой произведение шума входного напряжения на коэффициент усиления шума усилителя. Шумовое усиление определяется не только резистором обратной связи, но также конденсаторами обратной связи и входными конденсаторами, поэтому оно не является постоянным по частоте. На рис. 6 показан типичный график коэффициента усиления шума усилителя в зависимости от частоты с наложенным коэффициентом усиления замкнутого контура для сравнения. Две вещи, которые вы можете узнать из этого графика, это то, что выходной шум увеличивается на некоторых частотах, и частотный диапазон, в котором шумовые пики могут выходить за пределы полосы пропускания усилителя с обратной связью.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure6.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 6’&gt ;

Рис. 6. Шумовое усиление фотодиодного усилителя увеличивается на более высоких частотах.

Поскольку вы не можете воспользоваться этой полосой пропускания, используйте фильтр нижних частот, настроенный на полосу пропускания сигнала усилителя, чтобы уменьшить шум.

Использование программируемого усиления для расширения динамического диапазона

Поскольку шум Джонсона резистора обратной связи увеличивается пропорционально квадратному корню из сопротивления, имеет смысл иметь максимально возможное усиление в фотодиодном усилителе, а не во втором каскаде. Вы можете сделать еще один шаг вперед, добавив к фотодиодному усилителю программируемое усиление, как показано на рис. 7.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages /technical-articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure7.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 7’&gt ;

Рис. 7. Концепция фотодиодного усилителя с программируемым коэффициентом усиления.

Переключатель S ₁ выбирает нужный путь обратной связи, чтобы можно было выбрать оптимальное усиление для различных сигналов. К сожалению, аналоговые переключатели имеют сопротивление во включенном состоянии, которое вносит ошибки усиления в нашу схему. Это сопротивление будет меняться в зависимости от приложенного напряжения, температуры и других факторов, поэтому вы должны найти способ исключить его из схемы. На рис. 8 показано, как можно использовать два набора переключателей для устранения ошибки, вызванной сопротивлением во включенном состоянии в контуре обратной связи. В этой схеме у вас есть один переключатель внутри контура обратной связи, как на рис. 7, но вместо того, чтобы смотреть на напряжение на выходе усилителя, переключите S ₂ подключает выход схемы непосредственно к резистору усиления. Это устраняет любые ошибки усиления из-за тока, протекающего через переключатель S ₁ . Одним из компромиссов при использовании этой схемы является то, что выход больше не имеет очень низкого импеданса, связанного с выходами усилителя, поскольку он включает сопротивление мультиплексора S ₂ во включенном состоянии. Обычно это не представляет большой проблемы, если следующий каскад имеет вход с высоким импедансом, например, с драйвером АЦП.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure8.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 8’>

Рис. 8. Использование двух наборов переключателей снижает количество ошибок из-за дополнительного сопротивления внутри контура.

Использование модуляции и синхронного обнаружения для уменьшения шума

Многие прецизионные приложения включают измерение уровня постоянного света, поглощаемого или отраженного через образец.

В то время как некоторые приложения позволяют экранировать от любого окружающего света, многие другие системы, в основном в промышленных условиях, должны работать под воздействием окружающего света. В этом случае вы можете модулировать источник света и использовать синхронное обнаружение, чтобы отодвинуть сигнал от низкочастотного спектра, где электрические и оптические помехи самые высокие. Простейшей формой модуляции является быстрое включение и выключение источника света. В зависимости от источника света вы можете электронно модулировать его или, как в случае с некоторыми старыми инструментами, вы можете использовать механический прерыватель, чтобы блокировать свет с заданной скоростью.

Например, если вам нужно измерить поглощение света веществом для определения концентрации, вы можете отсечь источник света на частоте в несколько кГц. На рис. 9 показано, как это приводит к удалению измерения от большинства низкочастотных световых загрязнений, обычно присутствующих в большинстве сред, таких как изменения уровня окружающего освещения в зависимости от времени суток, флуоресцентные лампы 50 Гц/60 Гц и т.п. .

<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -статьи/оптимизация-прецизионность-схема-фотодиода-датчика-схема/рисунок 9.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 9’>

Рисунок 9. Прерывание входного сигнала Перемещает информацию на частоту прерывания и подальше от окружающего шума.

Поскольку вы управляете частотой сигнала модуляции, вы можете использовать одни и те же часы для синхронной демодуляции принимаемого света. Схема на рис. 10 представляет собой очень простой синхронный демодулятор. Напряжение на выходе фотодиодного усилителя связано по переменному току и затем проходит через усилитель с программируемым коэффициентом усиления +1 и –1. Переключатель усиления синхронизирован, чтобы установить усиление на +1, когда свет должен быть включен, и на -1, когда свет должен быть выключен. В идеале на выходе должно быть постоянное напряжение, соответствующее амплитуде световых импульсов. Фильтр нижних частот отклоняет любые другие сигналы, не синхронизированные с часами модуляции. Частота среза фильтра нижних частот эквивалентна ширине полосового фильтра вокруг частоты модуляции. Например, если частота модуляции 5 кГц и вы используете фильтр нижних частот с полосой пропускания 10 Гц, на выходе схемы будут пропускаться сигналы с 4,9от 9 кГц до 5,01 кГц. Уменьшение полосы пропускания фильтра нижних частот приводит к более сильному подавлению за счет более медленного времени установления.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -articles/optimizing-precision-photodiode-sensor-circuit-design/figure10.jpg?w=435 ‘ alt=’Рисунок 10’>

Рис. 10. Схема синхронного обнаружения.

Рисунок 9 также показывает дополнительное предостережение при использовании измельчения. Результирующий сигнал представляет собой не одну линию в частотной области (для чего потребовалась бы синусоида), а скорее линию на частоте прерывания и ее нечетных гармониках. Любой шум, присутствующий на нечетных гармониках частоты прерывания, появится на выходе с минимальным затуханием. Вы можете полностью устранить это, используя синусоидальную модуляцию, но это требует более сложной или дорогой схемы. Другое решение состоит в том, чтобы выбрать необычную основную частоту, гармоники которой не совпадают ни с какими известными источниками помех. Вы также можете реализовать ту же функциональность, что и на рис. 10, в прошивке. Вы можете сэмплировать прерванный световой сигнал синхронно с часами модуляции и использовать методы цифровой обработки сигнала для извлечения информации об амплитуде на интересующей частоте.

Заключение

Фотодиодные усилители являются важным строительным блоком большинства прецизионных оптических измерительных систем. Выбор правильного операционного усилителя является важным первым шагом в достижении наилучшей возможной производительности системы, а использование других методов повышения производительности, таких как использование программируемых коэффициентов усиления и синхронного обнаружения, может помочь расширить динамический диапазон и подавить шум.