Фотодиод и как с ним бороться

Эквивалентная схема.

Фотодиод по своей сути имеет следующую эквивалентную схему:

Это диод

Конечно можно еще рассматривать идуктивность и сопротивление выводов или другую экзотику, но пока во внимание это не прнимается, также не изменяется емкость при приложенном напряжении т.к. как это сделать я не знаю. Если я что-то важное забыл, пишите исправим.

Источник тока - это фото-ЕДС, конденсатор - внутрення емкость диода, диод - кремневый со всеми вытекающими последствиями (но с нулевой емкостью перехода ) т.е. падение напряжения при включении 0.6В, утечки в закрытом состоянии и т.д .

Для эмулятора я использую следующую схему:

, где V1 – это фото-ЕДС; D2 – собственно диод; C1 – паразитная емкость p-n перехода.

В этой модели не учтено то, что при внешнем напряжении изменяется С1, так что его значение в конкретной ситуации подгонять надо.

Модель диода такая, как было сказано выше.

Засветка

Засветка - это режим работы фотодиода, когда напряжение на его выводах переходит порог отпирания диода из за фото-ЕДС т.е. выше 0.6В. При отпирании диода его внутренне сопротивление резко уменьшается, и большая часть энергии фото-ЕДС выделяется в виде тепла на кристалле диода. Если диод ничем не заперт, то достаточно небольшого освещения что-бы он открылся. К примеру, результат моделирования схемы, приведенной выше:

Внизу осциллограма на С1. Как видно из графика, даже без постоянной засветки фотодиод откывается.

Таким образом, что-бы избежать засветки, необходимо или использовать низкоомную нагрузку или источник тока включенный на встречу фото-ЭДС или все это вместе.

 В случае использования нагрузки применяется такая схема:

Нагрузку можно расчитать по формуле:

, где Iзм - максимальный ток засветки фотодиода; 0.4 - это напряжение отпирания диода (0.6 минус 0.2В для запаса).

Ток засветки можно измерить мультиметром, поднеся фотодиод в плотную к лампочке на 100Вт. К примеру фотодиод ФД-263 выдает ток порядка 6мА, то R=0.4/0.006=66Ом. Диод откроется при токе Iзм=0.6/66=9мА.

Моделирование.

Для моделирования используется следующая схема:

 

Результаты моделирования:

Напяжение на R1

Как видно из рисунка, расчет правильный, имеем размах сигнал 200мВ.

АЧХ по отношению к 1В

Как видно из рисунка спад АЧХ от 1Гц до 40МГц составляет 9дБ.

Меандр на частоте 5МГц.

Передний фронт -71нС, задний – 60нС.

Недостатки схемы:

- Большая часть полезного сигнала будет шунтироваться нагрузкой и амплитуда выходного не искаженного сигнала при токе засветки в 6мА не будет превышать 100мВ (размах 200мВ) при пиковом фото-токе полезного сигнала в 9-6=3мА.

- Из за отсутсвия обратного подпирающего напряжения довльно большая паразитная емкость p-n перехода, что дает заваленный передний фронт сигнала при включении передатчика или ограничение полосы пропускания в области высоких частот.

Достоинства схемы:

- Не требует дополнительного источника.

- За счет нагрузки обеспечивает быстрый разряд паразитной емкости, что улучшает задний фронт сигнала.

 В случае использования источника тока применяются такие схемы:

Схемы по своей сути одинаковы, только в первом случае постоянная составляющая сигнала при отсутсвии засветки будет V1(12В) и сигнал по своей форме будет инверсным (т.е. при включении передатчика напряжение будет падать), а во втором случае постоянная составляющая сигнала будет "земля" (0В) и сигнал будет прямым (при вкл. передатчика напряжение будет расти).

Здесь резистор R выполняет роль источника тока, он расчитывается по формуле:

,где Iзм - максимальный ток засветки фотодиода; Vs - напряжение источника.

Например для того-же ФД-263 R=12/0.006=2кОм. При этом сопротивлении диод откроется при токе засветки в 6мА, т.е. ток засветки надо брать с запасом: R=12/0.009=1333Ом.

Моделирование

Для моделирования используется следующая схема:

Результаты моделирования:

Напяжение на R1

Как видно из рисунка, расчет правильный, имеем размах сигнала 4В.

АЧХ по отношению к 1В

Как видно из рисунка спад АЧХ от 1Гц до 40МГц составляет 28дБ.

Сравниваем АЧХ схемы с нагрузкой (синяя)

Имеем разницу в 7-8дБ после 20МГц.

Меандр на частоте 5МГц.

Получается пила с фронтами в 100нС

Недостатки схемы:

- Медленный заряд (для второй схемы разряд) паразитной емкости через R и как следствие завал фронта сигнала до пилыили большая неравномерность АЧХ (28дБ по сранению с 9дБ).

- Необходимость в источнике питания.

- Явная необходимость в цепях корекции АЧХ.

Достоинства схемы:

- За счет большого сопротивления R амплитуда полезного сигнала по сравнению со схемой с нагрузкой будет больше. Расчитаем это: Ток засветки - 6мА, пиковый фото-ток полезного сигнала - 3мА. При отсутсвии сигнала напряжение на выходе 12-1333*0.006=4В, при наличии 12-1333*0.009=0 т.е. амплитуда полезного сигнала будет 2В(размах 4В). По сравнению со схемой с нагрузкой (амплитуда 0.1В) имеем выигрыш в 2/0.1=20 раз или в 20*log(20)=26дБ, при одинаковой фото-ЕДС до 1МГц, после раница уменьшается на 5МГц – 15дБ, на 10МГц10дБ, на 20МГц и далее 7-8дБ.

- Так как к диоду приложено внешнее напряжение, то его паразитная емкость значительно меньше, чем в каскаде с нагрузкой.

 Комбинирование схем.

В процессе

 Корекция АЧХ.

В процессе

 

На главную | На lazerlink