Penguat transimpedansi Phototransistor

Saya punya fototransistor khas NPN. Saya memilikinya bekerja dalam konfigurasi kolektor umum; lihat gambar 2 dari catatan aplikasi ini .

Meningkatkan Re akan meningkatkan sensitivitas, tetapi mengurangi kecepatan. Saya telah mempelajari fototransistor selama beberapa hari sekarang, dan saya pikir penguat transimpedansi dapat memberi saya sensitivitas tambahan tanpa mengorbankan kecepatan, karena saya tidak akan meminta Re memuat emitor lagi.

Namun, saya tidak bisa menemukan implementasi langsung. Sebagian besar catatan aplikasi menggambarkan fotodioda. Tidak seperti fotodioda, fototransistor perlu dibiaskan, dan beberapa catatan aplikasi yang membahas menggunakan fototransistor mengasumsikan adanya tegangan biasing negatif dalam amplifier transimpedansinya. Saya membutuhkan solusi yang bekerja dengan op-amp pasokan tunggal.

Apakah tanah virtual pada input non-pembalik dari penguat transimpedansi benar bias fototransistor? Biasanya ground virtual setengah jalan antara VCC dan GND, tapi saya rasa tidak harus begitu. Tegangan saturasi fototransistor saya adalah 0.15V; diberikan VCC = 3.3V, apakah itu berarti tanah virtual saya bisa ~ 3V?

Apakah ada cara yang lebih baik untuk merancang sirkuit ini? Saya ingin output sedekat mungkin dengan GND, karena mungkin akan ada amplifier tahap kedua.

EDIT:

Rincian lebih lanjut tentang aplikasi. Saya merasakan tingkat cahaya; rendah, sangat rendah, dan mati. Tidak ada masalah dengan cahaya sekitar, jadi saya lebih suka tidak fokus pada aspek phototransistor dari pertanyaan ini terlalu banyak. Bandwidth yang diminati adalah sekitar 1-10 kHz. Kolektor umum hampir bekerja; Saya telah menaikkan Re setinggi mungkin sambil mempertahankan bandwidth yang saya inginkan, tetapi saya masih ingin Re sekitar 2x lebih besar yang menghasilkan sinyal yang terlalu lambat.

Saya telah mencoba untuk melakukan proyek tingkat cahaya yang sangat rendah sendiri 2 hari terakhir dengan fotodioda dan fototransistor. Ini untuk orang-orang seperti saya dan poster asli yang mendorong deteksi cahaya tanpa photomultiplier ke batas (di bawah 0,1 mW / cm ^ 2).

Saya melihat pada modul penerima pertama dan deteksi irradiance minimumnya adalah 0,2 mW / m ^ 2 yaitu sekitar 10.000 kali lebih banyak (kurang mampu) daripada apa yang dapat dilakukan oleh fotodioda dan fototransistor terpisah (mungkin artinya cm ^ bukan bukannya m ^ 2? ). Baik untuk tingkat cahaya yang sangat rendah menurut "Seni Elektronik" (1 uA per uW halaman 996 cahaya), sama sekali tidak mampu mendekati apa yang dapat dilakukan mata manusia karena arus bocor dan kebisingan. Dia menjelaskan menggunakan photomultipliers yang mungkin diperlukan jika tingkat cahaya Anda terlalu rendah. Namun, dengan menyinari cahaya melalui jari-jari saya di ruangan yang cukup terang, saya dapat melihat apa yang tidak dapat dideteksi mata saya pada oscilliscope (dengan PhotoDiode atau PhotoTransistor).

Dengan asumsi 1 uA per uW-nya benar, berikut adalah contohnya: fotodioda 5 mm dan fototransistor memiliki luas 20 mikro m ^ 2. Jadi 1 uW / m ^ 2 (1/1000 dari sinar matahari siang) akan menghasilkan 20 uA (menurut Art of Electr). [[1 / 1000th sinar matahari siang adalah 1 W / m ^ 2 yang sekitar dua kali lebih kuat dari cahaya 20W incadescent di 1 meter (6W output cahaya ke 12 m ^ 2 area permukaan bola sekitarnya). ]]

Namun, lembar data phototransistor 880nm saya menunjukkan 600 uA pada 1W / m ^ 2 (0,1 mW / cm ^ 2), yang 30 kali lebih banyak. Ini mengasumsikan semua cahaya berada dalam jangkauan aktif persimpangan dioda.

Sharp memiliki catatan aplikasi yang jauh lebih baik, tetapi tampaknya kurang dalam menjelaskan desain mana yang terbaik untuk situasi yang mana. Gambar 13 paling sesuai dengan poster asli dan apa yang saya butuhkan, dan gambar 10B sangat menarik tetapi saya tidak tahu apa artinya dengan "meningkatkan respons". http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Ketika digunakan dengan op amp, sebuah phototransistor mungkin tidak mampu mendapatkan gain sebaik fotodioda untuk tingkat cahaya yang sangat rendah karena menggunakan metode "murah" untuk mendapatkan gain awal (transistor alih-alih op amp). Saya menduga fotodioda dengan op amp JFET (arus input sangat rendah) pada akhirnya akan memberikan keuntungan yang lebih tinggi dengan lebih sedikit noise. Dalam keadaan apa pun, fotodioda atau fototransistor dengan area penerima optik terbesar mungkin memiliki kemampuan terbaik untuk mendeteksi tingkat cahaya rendah, tetapi itu juga dapat meningkatkan kebisingan dan kebocoran dengan jumlah yang proporsional dan biasanya merupakan masalah yang mendasarinya. Jadi ada batas untuk jenis deteksi cahaya dan fototransistor dan fotodioda yang idealnya efisien pada akhirnya akan sama baiknya bila digunakan dengan op amp, tetapi secara teoritis saya menduga fotodioda sedikit lebih baik.

Untuk op amp catu daya ganda, Anda dapat menggunakan pasangan resistor bernilai "rendah" (dua 1k untuk 10V Vcc untuk mendapatkan bias 5 mA) untuk membagi tegangan untuk membuat arde yang salah untuk + Vin.

Saya menemukan R = 1M untuk resistor umpan balik jauh lebih baik daripada R = 4,7M. Forrest Mimms dalam bukunya opto sederhana menggunakan 10 M dengan paralel 0,002uF dan sel surya bukannya fototransistor atau fotodioda untuk "ekstrim" tingkat cahaya rendah "(mungkin sel surya akan lebih baik untuk aplikasi Anda) Tampaknya semua PN persimpangan tampaknya beroperasi sebagai sel surya sampai batas tertentu, seperti yang saya baca menggunakan dioda sinyal kecil yang jelas untuk mendeteksi cahaya. Saya menggunakan LED 830 nm biasa sebagai "fotodioda" saya.

Sudut lensa yang mana pun dioda optik 5mm yang Anda gunakan membuat perbedaan besar. +/- 10 derajat kira-kira 4 kali lebih sensitif daripada +/- 20 derajat .... jika sumber cahaya datang dari kurang dari +/- 10 derajat. Jika sumber cahaya adalah area besar yang +/- 20 derajat di depan, maka itu tidak masalah.

Saya menguji dua sirkuit di bawah ini. Saya dapat mendeteksi pulsa 0,3V, 5 ms pada fototransistor Vo yang berarti 0,3 uA yang berarti 0,05 uW / cm ^ 2 jika pembacaan datasheet saya benar dan jika itu tetap linear (seandainya besar) hingga 0.3uA. Mungkin 5 uW / cm ^ 2. Jika 0,05 uW / cm ^ 2 sudah benar, maka LED 830 yang ada di rak sedang membaca hingga 0,5 uW / cm ^ 2. Saya menyinari 10 mW 830 nm cahaya melalui 1 cm jaringan (jari saya). Saya tahu bahwa jika level cahaya yang saya kerjakan berwarna merah, itu hampir tidak terlihat. Tautan di bawah ini menunjukkan penggunaan umpan balik 500 M ohm dengan fotodioda, menunjukkan tingkat cahaya yang jauh lebih rendah. Perhatikan orientasi fotodioda mereka, yang sama dengan LED saya (mundur dari sebagian besar tautan internet). Saya mendapat hasil yang lebih baik dengan cara ini.

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

Saya juga memikirkan penguat opamp pembalik. Hal terbaik adalah suplai daya ganda sehingga Anda tidak perlu mem-bias input untuk membuat virtual ground. Gambar menunjukkan skema. Anda akan mendapat sinyal positif dari tanah: lebih banyak cahaya = tegangan keluaran lebih tinggi.

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

$V_{CC}$

edit dd. 2012-08-15
Dalam jawaban ini Alfred menunjukkan bahwa fotodioda juga akan menenggelamkan arus tanpa jatuh tegangan. Itu berarti bahwa kita tidak memerlukan pasokan negatif, dan satu pasokan mungkin:

Pastikan itu adalah opamp RRIO (Rail-to-Rail I / O).

sunting
Di atas saya menduga bahwa Anda ingin mengukur tingkat cahaya, yaitu nilai analog. Tetapi membaca ulang pertanyaan Anda, tidak ada yang mengatakan Anda melakukannya. Penyebutan kecepatan menyarankan penerimaan kode pulsa. Jika itu yang Anda inginkan, seperti apa sinyalnya? Berapa panjang gelombang (IR atau cahaya tampak?) Tidak bisakah Anda menggunakan modul penerima IR ?

Jika Anda benar-benar membutuhkan fleksibilitas, pertimbangkan untuk menggunakan fotodioda alih-alih phototransistor - Anda sudah membangun amp transimpedansi, jadi mengapa tidak berjalan jauh?

Juga, ada buku yang bagus tentang masalah ini, dengan banyak contoh rangkaian terperinci, untuk kebisingan rendah dan / atau kecepatan tinggi.
Membangun Sistem Electro-Optik: Menjadikannya Semua Kerja, oleh Hobbs .