Шапка

12.6 Оптоэлектроника: детекторы

На рис. 12.80 можно увидеть несколько детекторов, большая часть которых относится к фотодиодам или фототранзисторам . Они уже встречались раньше. В части, посвящённой операционным усилителям ( §4.3.1.C ), рассказывалось, как с помощью простой трансимпедансной схемы ( преобразователя ток-напряжение ) превратить фототок в пропорциональный выходной потенциал. В §8.11 рассматривались очень быстрые малошумящие усилители для фотодиодов. В §X4.3 обсуждается неприятная проблема устойчивости трансимпедансных усилителей с упором на дестабилизирующий эффект ёмкости на входе.

Рис. 12.80   Оптоэлектроника: детекторы. Слева сзади два фоторезистивных элемента на сульфиде кадмия и пара фотодиодов ( GaAs и кремний ) в герметичном исполнении. Под ними фотодиоды в пластмассовых корпусах ( с окнами, направленными вверх и в бок ). Правее идёт солнечная батарея ( простой кремниевый фотодиод ) и КМОП датчик изображения ( с дополнительной схемой на гибкой плате ). Подобные сенсоры используют в вебкамерах и сотовых телефонах. Четыре чёрных компонента правее - инфракрасные детекторы ( непрозрачный пластик отсекает видимый спектр ). Маленький квадратик выдаёт логические уровни, большой квадрат - приёмник дистанционного управления аудио/видео аппаратурой. Справа вверху приёмник волоконно-оптической связи формата ST, а под ним - пироэлектрический температурный датчик, используемый в детекторах движения

Очень скоро придётся знакомиться с кучей фотодетекторов в контексте оптопар ( их ещё называют оптоизоляторами ), а ещё чуть позднее с ними же в контексте волоконно-оптической связи. А сейчас будет полезно напомнить схемы включения ( рис. 12.81 ) и указать несколько компонентов, содержащих фотодиод и позволяющих получить на выходе логический уровень или пропорциональный выходной сигнал в форме напряжения, тока или частоты.

Кстати, уместно будет сказать пару слов о фотоумножителях . Это чувствительные и быстрые детекторы света ( парочку можно видеть на рис. 12.71 ), которые используют каскад усиливающих электронный пучок электродов ( динодов ). Они могут превратить один фотоэлектрон, который с вероятностью 20% возникает при попадании фотона в фотокатод, в компактную группу \(10\space^5...10\space^6\) электронов. Т.е. сигнал не вышедший за пределы детектора уже усилен до степени, когда шумы перестают представлять проблему: миллион электронов в 1 ns это целых 1.6 mA !

12.6.1 Фотодиоды и фототранзисторы

Ниже повторены стандартные методы использования фотодиодов и фототранзисторов. В схеме 12.81A фотодиод работает в фотогенераторном режиме, т.е. выдаёт фототок в короткозамкнутый узел схемы [* интересный вопрос с направлением тока: см. рис. 12.81D и замечание к рис. 4.22 ] . Трансимпедансный усилитель создаёт положительное выходное напряжение \( V_{out}=R_fI_P\) , поэтому схема может работать с единственным положительным источником. Вы, конечно, можете подумать, что операционный усилитель здесь лишний, ведь, в конце концов, речь идёт о законе Ома! Дело обстоит не так просто. Во-первых, если позволить фотодиоду сместиться в прямом направлении, а именно это пытается сделать ток, то фототок прекратится. Значит, необходимо обеспечить такое смещение на диоде, чтобы при максимальной освещённости напряжение было меньше ∼0.5 V . Во-вторых, схема будет очень медленной: постоянная времени определяется ёмкостью диода и сопротивлением нагрузки.

Рис. 12.81   Схемы включения фотодиодов и фототранзисторов. (A) Фотогенераторный режим. (B) Фотокондуктивный режим. (C) Фототранзистор. (D) Интегральные варианты

В схеме 12.81B фотодиод смещён в обратном направлении и работает в фотокондуктивном режиме. В таком включении скорость выше, т.к. снижается ёмкость p-n перехода, а электростатическое поле в нём быстро сносит заряды. Вместе со скоростью в схеме растёт и шум, а ток утечки диода задаёт нижний порог уровня освещённости. В данной схеме ёмкость диода, особенно если он подключён длинным экранированным кабелем, представляет серьёзную проблему ( см. §8.11 и §X4.3 ).

Схема 12.81C использует фототранзистор, который радикально увеличивает ( с коэффициентом \(β\) ) фототок. Обратно смещённый переход коллектор-база работает фотодиодом. Именно его ток увеличивается в бета раз. Таким образом, небольшой фототранзистор при обычном комнатном освещении даст ток порядка 100 μA , а фотодиод - только 1 μA 41 . Данная схема самая медленная, но может быть ускорена резистором в базе. Правда такой приём привносит в схему пороговое напряжение, потому что теперь фототоку надо создать на резисторе падение напряжения, равное падению база-эмиттер, чтобы включить транзистор. Поэтому пути можно двигаться и дальше: к фото-Дарлингтону . Ещё больше тока, ещё ниже скорость.

Наконец, схема 12.81D показывает некоторые возможные интегральные решения, недорогие и способные сильно сэкономить время и деньги.

12.6.2 Фотоумножители

Фотоумножители - основной детектор в задачах, где приходится считать единичные фотоны, обнаруживать и накапливать слабое свечение от рентгеновских и гамма квантов. Это делается с помощью сцинтилляторов - веществ, преобразующих ( переизлучающих ) фотон высокой энергии в видимый свет. Задача сложна и многогранна, но электронная часть вполне понятна. Схемы показаны на рис. 12.82 и 12.83 .

Самой простой является «счётная» конфигурация ( рис. 12.82 ). Здесь импульс тока на аноде порождает быстрый отрицательный импульс на 50-омном резисторе нагрузки. Далее идёт широкополосный усилитель, похожий на модели радиочастотного диапазона (UPC2710 стоит около $1 и работает отлично. Прямо сейчас в нашей лабораторной установке трудится тысяча штук ).

Рис. 12.82   Схема выходного формирователя для фотоумножителя. Каскад умножающих электродов - динодов позволяет получить от одного фотона света импульс из \(10\space^6\) электронов. На нагрузке 50 Ω появится сигнал милливольтового диапазона

Если же вам надо точно измерять уровень очень слабого света, а наносекунды не важны, то, возможно, подойдёт ограниченный по полосе «интегрирующий» усилитель, похожий на схему 12.83 42 . В ней отличный ( почти уникальный ) OPA656 преобразует анодный ток в напряжение. Это широкополосный операционный усилитель с низким входным током ( ПТ на входе ). Полоса нужна всего несколько мегагерц, а ставить приходится быстрый ОУ ( объяснения в §8.11 и §X4.3 ). Требования к полосе и шуму заставляют удерживать входную ёмкость на возможно более низком уровне и выбирать стабилизирующий конденсатор обратной связи \( C_F\) аккуратно.

Рис. 12.83   Малошумящий усилитель для фотоумножителя. Полоса 3.5 MHz , усиление 2 V/μA . См. также §8.11

Оставшаяся часть схемы достаточно прямолинейна. Входной последовательный резистор и ограничительные диоды защищают ОУ от входных выбросов ( например, при пробое фотоумножителя с киловольтовым питанием ). Дальше идёт необязательный каскад дополнительного усиления 20× , собранный на усилителе с токовой обратной связью. Такие усилители обладают интересным свойством: их полоса усиления с обратной связью слабо зависит от величины усиления. Резисторы делителя задают коэффициент передачи, также как это делается в обычных схемах со связью по напряжению, а вот полоса одним только резистором обратной связи [* в обычных полоса входит в произведение GBW и отдельно меняться не может] . Скажем, этот конкретный ОУ имеет полосу 100 MHz с резистором обратной связи 1 kΩ и \( G_{CL}\)=1 , а при \( G_{CL}\)=30 полоса падает только до 60 MHz , что совершенно не характерно для усилителей со связью по напряжению: их полоса очень быстро сокращается с ростом усиления. Здесь выбран резистор обратной связи чуть большего номинала ( 3.74 kΩ )## с целью жёстко сократить рабочую полосу до 15 MHz . Это именно то, что требуется: увеличивая полосу, мы просто шире распахиваем двери перед проблемами [* внеполосными шумами, см. §8.13 ] .

Для LT1223 указано максимальное напряжение смещения ±3 mV . Вместе со смещением входного каскада ±2 mV (max) оно создаёт на выходе сигнал ±100 mV . Для борьбы с последним в схему добавлен потенциометр. На входе третьего каскада стоит простой RC ФНЧ. При необходимости его можно переделать в набор переключаемых цепей с разными точками «-3dB». Однако отметим, что максимальная полоса ∼3.5 MHz ограничивается входным каскадом: BW=\((2πR_FC_F)^{-1}\) . Наконец, на выходе стоит мощный буфер с единичным усилением ( до ±250 mA ), охваченный обратной связью через неинвертирующий усилитель с G= 2 . Вспомогательный ОУ нужен, потому что самому буферу некуда задавать обратную связь, а его смещение ±100 mV (max) требует присмотра. Но мы любим его не за это: он быстрый и сильный.

41 Экспериментальные данные. Фототранзистор FPT110 ( нижний левый на рис. 12.80 ) при измерении выдал в режиме фотодиода ток \(I_{CB}\) =0.4 μA , в режиме фототранзистора - \(I_{CE}\) =60 μA ( рабочее напряжение 10 V ). Днём при пасмурном небе ( Бостон, август ) ток фотодиода был в 250 раз выше ( 100 μA ). Справочные данные не сообщают площадь фоточувствительной области, но измерения показали 0.7 mm² , т.е. эффективность порядка 5% , если использовать p-n переход в качестве солнечной батареи. [* Как считали, интересно] . <-

42 Аналогичная схема использовалась коллегой Лин Хау ( Lene Hau ) в её экспериментах 1999 года по замедлению света до 17 m/s , т.е. до скорости меньшей чем у велосипеда. <-

Previous part:

Next part: