Vilka är de typiska kretskonfigurationerna för en digital fotodiod?

Hej där! Som leverantör av digitala fotodioder har jag själv sett hur dessa små men kraftfulla komponenter spelar en avgörande roll i alla möjliga tillämpningar, från optisk kommunikation till industriell avkänning. Idag ska jag ta dig igenom några av de typiska kretskonfigurationerna för en digital fotodiod.

Grundläggande användning av digitala fotodioder

Innan vi dyker in i kretskonfigurationerna, låt oss snabbt gå igenom hur digitala fotodioder fungerar. En fotodiod är en halvledarenhet som omvandlar ljus till en elektrisk ström. När fotoner träffar fotodiodens aktiva område skapar de elektron-hålpar. Dessa par separeras sedan av fotodiodens inbyggda elektriska fält, vilket genererar en ström som är proportionell mot det infallande ljusets intensitet.

I digitala applikationer är vi vanligtvis intresserade av att upptäcka närvaron eller frånvaron av ljus, snarare än att mäta den exakta ljusintensiteten. Så utsignalen från fotodioden måste konditioneras för att producera en digital signal (hög eller låg) som lätt kan bearbetas av andra digitala kretsar.

Vanliga kretskonfigurationer

Fotodiod i fotovoltaiskt läge

I fotovoltaiskt läge drivs fotodioden utan extern förspänning. När ljus träffar fotodioden genererar den en spänning över dess terminaler, liknande en liten solcell. Strömmen som flyter genom belastningsmotståndet ges av fotodiodens kortslutningsström.

Fördelen med denna konfiguration är dess enkelhet och låga strömförbrukning. Utspänningen är emellertid relativt liten, vanligtvis inom intervallet några hundra millivolt. Detta kan kräva ytterligare förstärkningssteg för att vara kompatibla med digitala kretsar.

Här är ett enkelt kretsexempel. Vi ansluter fotodioden direkt till ett belastningsmotstånd. När ljus lyser på fotodioden flyter en ström genom motståndet, vilket skapar ett spänningsfall. Denna spänning kan matas in i en komparator. Om spänningen överstiger en viss tröskel, matar komparatorn ut en hög digital signal; annars avger den en låg signal.

Fotodiod i fotokonduktivt läge

I fotokonduktivt läge appliceras en omvänd förspänning på fotodioden. Detta ökar bredden på utarmningsområdet, vilket i sin tur minskar kopplingskapacitansen och förbättrar fotodiodens svarshastighet.

Den omvända förspänningen ökar också det elektriska fältet över utarmningsområdet, vilket gör att de genererade elektron-hålparen svepas ut snabbare. Som ett resultat kan fotodioden reagera på höghastighetsljussignaler, vilket gör den lämplig för högfrekventa tillämpningar som optisk kommunikation.

För att omvandla fotoströmmen till en spänning använder vi vanligtvis en transimpedansförstärkare (TIA). En TIA tar inströmmen från fotodioden och omvandlar den till en utspänning. Förstärkningen av TIA bestäms av återkopplingsmotståndet.

Till exempel i vårTO46 155M - 10G APD - TIAprodukt används lavinfotodioden (APD) i fotokonduktivt läge med en TIA. APD har en hög intern förstärkning, som förstärker fotoströmmen innan den når TIA. Detta möjliggör detektering av svaga optiska signaler med hög känslighet.

PIN-fotodiod med TIA-konfiguration

En PIN-fotodiod är en typ av fotodiod med ett inneboende (i) skikt mellan halvledarskikten av p- och n-typ. Det inneboende lagret ökar bredden på utarmningsområdet, vilket förbättrar fotodiodens kvanteffektivitet och svarshastighet.

När den kombineras med en TIA kan en PIN-fotodiod ge ett snabbt och linjärt svar på ljussignaler. TIA:n omvandlar fotoströmmen från PIN-fotodioden till en spänning som kan bearbetas ytterligare av digitala kretsar.

VårTO46 155M - 10G PIN - TIAprodukt är ett bra exempel på denna konfiguration. Den är designad för optiska kommunikationsapplikationer med hög hastighet, där snabb och exakt detektering av digitala optiska signaler är avgörande.

Avalanche Photodiode (APD) med TIA-konfiguration

En APD är en speciell typ av fotodiod som kan ge intern förstärkning genom lavinförökningseffekten. När en foton skapar ett elektron-hål-par i APD, gör det höga elektriska fältet i utarmningsområdet att bärarna får tillräckligt med energi för att skapa ytterligare elektron-hål-par genom stötjonisering. Detta resulterar i en multiplikation av fotoströmmen.

Att kombinera en APD med en TIA kan avsevärt förbättra fotodetektorns känslighet. APD kräver dock en högre förspänning jämfört med PIN-fotodioder, och de har också högre brusnivåer. Men i applikationer där detektering av mycket svaga optiska signaler är avgörande, såsom optisk kommunikation på långa avstånd, uppväger fördelarna med att använda en APD nackdelarna.

Att välja rätt kretskonfiguration

Valet av kretskonfiguration beror på flera faktorer, såsom applikationskraven, typen av fotodiod och tillgänglig strömförsörjning.

Om du arbetar med en applikation med låg effekt och låg hastighet kan solcellsläget vara ett bra val. Det är enkelt och kräver ingen extern förspänning.

För höghastighetsapplikationer som optisk kommunikation är det fotokonduktiva läget med en TIA vanligtvis att föredra. Om du väljer en PIN-fotodiod eller en APD beror på vilken känslighet som krävs. Om du behöver upptäcka mycket svaga signaler är en APD med en TIA vägen att gå.

Slutsats

Sammanfattningsvis finns det flera typiska kretskonfigurationer för digitala fotodioder, var och en med sina egna fördelar och nackdelar. Som leverantör av digitala fotodioder erbjuder vi ett brett utbud av produkter, inklusiveTO46 155M - 10G APD - TIAochTO46 155M - 10G PIN - TIA, för att möta olika applikationsbehov.

Om du är på marknaden för digitala fotodioder eller har några frågor om kretskonfigurationer, tveka inte att höra av dig. Vi är här för att hjälpa dig hitta den bästa lösningen för ditt projekt. Låt oss ta en pratstund om dina krav och se hur vi kan arbeta tillsammans!

Referenser

• Sze, SM och Ng, KK (2007). Halvledarenheters fysik. Wiley.
• Palik, ED (Red.). (1998). Handbook of Optical Constants of Solids. Akademisk press.