Módulo Claro da Detecção da Intensidade Amplificador do Fotodiodo

Parâmetros técnicos do diodo:

Área fotossensível (mm²): 4,5×4,5

Faixa espectral (nm): 450-1050

Comprimento máximo (nm): 900

Corrente do curto-circuito E = 100Lx (uA):>20

Tensão E = 100Lx do circuito aberto (mV): 300

Corrente escura VR = 100mV (A):<1x10-8

O fotodiodo é um dos tipos de sensores mais usados em muitas medições ópticas. Aplicações como espectroscopia de absorção e emissão, medição de cor, turbidez e detecção de gás dependem de fotodiodos para medição óptica precisa. O fotodiodo gera uma corrente proporcional à quantidade de luz que atinge a área ativa. A maioria das aplicações de medição requer um amplificador transimpedância para converter a corrente do fotodiodo em tensão de saída. A Figura 1 mostra o diagrama esquemático do circuito.

1. Módulo Amplificador de Módulo de Detecção de Intensidade de Luz

Fig. 1 Circuito de amplificador transimpedância simples

O fotodiodo deste circuito opera em modo fotovoltaico, onde o amplificador operacional mantém a tensão no fotodiodo em 0 V. Esta é a configuração mais comum em aplicações precisas. A curva do relacionamento atual da tensão do fotodiodo é muito similar àquela do diodo convencional, mas a curva inteira do anterior deslocará para cima ou para baixo com a mudança do nível claro. A Figura 2a mostra uma função típica do photodiode transfer. A Figura 2b mostra o gráfico ampliado da função de transferência, indicando que o fotodiodo produzirá uma pequena quantidade de corrente mesmo sem luz. Esta corrente escura aumenta à medida que a tensão inversa no fotodiodo aumenta. A maioria dos fabricantes fornece a corrente escura do fotodiodo com uma tensão reversa de 10 mV.

2. Módulo Claro da Detecção da Intensidade Amplificador do Fotodiodo

Figura 2 Função típica transferência do fotodiodo

Quando a luz atinge a área ativa do fotodiodo, a corrente flui do cátodo para o ânodo. Idealmente, todas as correntes do fotodiodo fluem através do resistor de feedback na Figura 1, produzindo uma tensão de feedback igual à corrente do fotodiodo vezes o resistor de feedback. O circuito é simples em princípio, mas alguns problemas devem ser resolvidos se o sistema tiver o melhor desempenho.

Considerações DC

O primeiro desafio é selecionar um amplificador operacional que corresponda às especificações de CC exigidas pela aplicação. Para a maioria das aplicações, a baixa tensão de entrada é a especificação mais importante. Há uma tensão de deslocamento de entrada na saída do amplificador, o que aumentará o erro total do sistema; Em um amplificador de fotodiodo, também gera outros erros. A tensão de deslocamento de entrada no fotodiodo gera mais corrente escura, aumentando ainda mais o erro de deslocamento do sistema. O deslocamento CC inicial pode ser eliminado por calibração do software, acoplamento CA ou ambos, mas erros de deslocamento maiores reduzirão a faixa dinâmica do sistema. Felizmente, quando a tensão de deslocamento de entrada está na faixa de várias centenas de mV ou mesmo dezenas de mV, há um grande número de amplificadores operacionais para escolher. A segunda especificação DC importante é a corrente de fuga de entrada do amplificador operacional. Quando a corrente entra no terminal de entrada do amplificador operacional ou em qualquer outro lugar que não o resistor de feedback, ocorrerão erros de medição. Amplificadores operacionais com corrente de entrada zero não existem, mas alguns amplificadores operacionais de entrada CMOS ou JFET estão muito próximos desse valor. A corrente polarizada de entrada do amplificador FET aumenta exponencialmente com a temperatura. Muitos amplificadores operacionais fornecem especificações a 85 ° C ou 125 ° C; No entanto, se não for fornecido, uma aproximação melhor é que a corrente dobra a cada dez graus de aumento de temperatura.

Outra dificuldade é projetar e planejar o circuito para minimizar o caminho da corrente de fuga externa-a corrente de fuga afetará o desempenho dos amplificadores operacionais de baixa entrada. O caminho externo mais comum é a própria placa de circuito impresso. Por exemplo, Figura 3 mostra uma disposição possível do amplificador do fotodiodo em Figura 1. A fiação rosa indica o trilho de alimentação + 5 V, que fornece energia ao amplificador e transfere energia para o resto da placa de circuito. Se a resistência entre o cabo + 5V e o cabo que transporta a corrente do fotodiodo for igual a 5G (RL na figura 3), então a corrente de 1 nA fluirá do cabo + 5V para o amplificador. Obviamente, isso é contrário ao objetivo de selecionar cuidadosamente o amplificador operacional 1 pA na aplicação. Uma maneira de minimizar o caminho da corrente de fuga externa é aumentar a resistência entre o caminho que transporta a corrente do fotodiodo e qualquer outro caminho. Isso pode ser tão conveniente quanto adicionar uma grande exclusão de roteamento zona em torno do roteamento para aumentar a distância de outras rotas. Em algumas aplicações extremas, alguns engenheiros cancelam completamente a fiação do PCB, expõem o chumbo do fotodiodo ao ar e o conectam diretamente ao pino de entrada do amplificador operacional.

3. Módulo Amplificador de Módulo de Detecção de Intensidade de Luz

Fig. 3 Layout do fotodiodo com caminho atual do vazamento

Outra maneira de evitar corrente de vazamento externo é colocar um fio protetor ao lado do fio que transporta corrente de fotodiodo e garantir que ambos os fios sejam conduzidos à mesma tensão. Figura 4 mostra o roteamento protetor em torno de uma rede que leva a corrente do fotodiodo + A corrente do escapamento gerada pela fiação 5 V flui então através do RL à fiação protetora, não ao amplificador. Neste circuito, a diferença de tensão entre a linha de proteção e a linha de entrada está relacionada apenas à tensão de deslocamento de entrada do amplificador operacional, que é outra razão pela qual a baixa entrada offset tensão amplificador é selecionado.

4. Módulo Claro da Detecção da Intensidade Amplificador do Fotodiodo

Fig. 4 Reduzindo a corrente externa do escapamento com fiação protetora