پیکربندی مدار معمولی برای یک فتودیود دیجیتال چیست؟

سلام! به‌عنوان تامین‌کننده فتودیودهای دیجیتال، من از نزدیک دیدم که چگونه این اجزای کوچک اما قدرتمند نقش مهمی در انواع برنامه‌ها، از ارتباطات نوری گرفته تا حسگر صنعتی، ایفا می‌کنند. امروز، من شما را از طریق برخی از تنظیمات مدار معمولی برای یک فتودیود دیجیتالی آشنا خواهم کرد.

عملکرد پایه فوتودیودهای دیجیتال

قبل از اینکه به تنظیمات مدار بپردازیم، اجازه دهید به سرعت به نحوه عملکرد فتودیودهای دیجیتال بپردازیم. فتودیود یک دستگاه نیمه هادی است که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. هنگامی که فوتون ها به ناحیه فعال فتودیود برخورد می کنند، جفت الکترون - حفره ایجاد می کنند. سپس این جفت ها توسط میدان الکتریکی داخلی دیود نوری از هم جدا می شوند و جریانی متناسب با شدت نور فرودی تولید می کنند.

در کاربردهای دیجیتال، ما معمولاً علاقه مند به تشخیص وجود یا عدم وجود نور هستیم، نه اندازه گیری شدت نور دقیق. بنابراین، خروجی فتودیود برای تولید یک سیگنال دیجیتال (بالا یا کم) نیاز دارد که به راحتی توسط مدارهای دیجیتال دیگر پردازش شود.

تنظیمات مدار رایج

فتودیود در حالت فتوولتائیک

در حالت فتوولتائیک، فتودیود بدون ولتاژ بایاس خارجی کار می کند. هنگامی که نور به دیود نوری برخورد می کند، ولتاژی شبیه به یک سلول خورشیدی کوچک در پایانه های آن ایجاد می کند. جریانی که از مقاومت بار عبور می کند توسط جریان اتصال کوتاه فوتودیود داده می شود.

مزیت این پیکربندی سادگی و مصرف برق کم آن است. با این حال، ولتاژ خروجی نسبتاً کوچک است، معمولاً در محدوده چند صد میلی ولت. این ممکن است به مراحل تقویت اضافی نیاز داشته باشد تا با مدارهای دیجیتال سازگار باشد.

در اینجا یک مثال مدار ساده است. ما فتودیود را مستقیماً به یک مقاومت بار وصل می کنیم. هنگامی که نور به دیود نوری می تابد، جریانی از مقاومت عبور می کند و افت ولتاژ ایجاد می کند. این ولتاژ را می توان به یک مقایسه کننده تغذیه کرد. اگر ولتاژ از آستانه معینی فراتر رود، مقایسه کننده یک سیگنال دیجیتالی بالا تولید می کند. در غیر این صورت، سیگنال کم را تولید می کند.

Photodiode در حالت Photoconductive

در حالت رسانای نوری، یک ولتاژ بایاس معکوس به فتودیود اعمال می شود. این باعث افزایش عرض ناحیه تخلیه می شود که به نوبه خود ظرفیت اتصال را کاهش می دهد و سرعت پاسخ فتودیود را بهبود می بخشد.

بایاس معکوس همچنین میدان الکتریکی را در سراسر ناحیه تخلیه افزایش می‌دهد و باعث می‌شود جفت‌های الکترون - حفره تولید شده سریع‌تر جاروب شوند. در نتیجه، فتودیود می‌تواند به سیگنال‌های نوری با سرعت بالا پاسخ دهد و آن را برای کاربردهای فرکانس بالا مانند ارتباطات نوری مناسب می‌کند.

برای تبدیل جریان نوری به ولتاژ، معمولاً از تقویت کننده ترانسیمپدانس (TIA) استفاده می کنیم. یک TIA جریان ورودی را از فتودیود می گیرد و آن را به ولتاژ خروجی تبدیل می کند. بهره TIA توسط مقاومت فیدبک تعیین می شود.

به عنوان مثال، در ماTO46 155M - 10G APD - TIAمحصول، دیود نوری بهمن (APD) در حالت رسانای نوری با TIA استفاده می شود. APD دارای بهره داخلی بالایی است که جریان نور را قبل از رسیدن به TIA تقویت می کند. این امکان تشخیص با حساسیت بالا سیگنال های نوری ضعیف را فراهم می کند.

PIN Photodiode با پیکربندی TIA

فتودیود PIN نوعی فتودیود با یک لایه (i) ذاتی بین لایه های نیمه هادی نوع p - و n است. لایه ذاتی پهنای ناحیه تخلیه را افزایش می دهد که بازده کوانتومی و سرعت پاسخ دیود نوری را بهبود می بخشد.

هنگامی که با یک TIA ترکیب می شود، یک فتودیود PIN می تواند یک پاسخ سریع و خطی به سیگنال های نور ارائه دهد. TIA جریان نوری را از دیود نوری PIN به ولتاژی تبدیل می‌کند که می‌تواند توسط مدارهای دیجیتال بیشتر پردازش شود.

ماTO46 155M - پین 10G - TIAمحصول نمونه ای عالی از این پیکربندی است. این برای برنامه های ارتباطی نوری با سرعت بالا طراحی شده است، جایی که تشخیص سریع و دقیق سیگنال های نوری دیجیتال ضروری است.

فتودیود بهمنی (APD) با پیکربندی TIA

APD نوع خاصی از فتودیود است که می تواند از طریق اثر ضرب بهمن، سود داخلی را ایجاد کند. هنگامی که یک فوتون یک جفت الکترون - حفره در APD ایجاد می کند، میدان الکتریکی بالا در ناحیه تخلیه باعث می شود که حامل ها انرژی کافی برای ایجاد جفت الکترون - حفره اضافی از طریق یونیزاسیون ضربه به دست آورند. این منجر به چند برابر شدن جریان نور می شود.

ترکیب APD با TIA می تواند حساسیت ردیاب نوری را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. با این حال، APD ها به ولتاژ بایاس بالاتری در مقایسه با فتودیودهای PIN نیاز دارند و همچنین سطح نویز بالاتری دارند. اما در کاربردهایی که تشخیص سیگنال های نوری بسیار ضعیف بسیار مهم است، مانند ارتباطات نوری از راه دور، مزایای استفاده از APD بیشتر از معایب آن است.

انتخاب پیکربندی مدار مناسب

انتخاب پیکربندی مدار به عوامل متعددی مانند الزامات کاربردی، نوع فتودیود و منبع تغذیه موجود بستگی دارد.

اگر روی یک برنامه کم مصرف و سرعت کم کار می کنید، حالت فتوولتائیک ممکن است انتخاب خوبی باشد. این ساده است و نیازی به ولتاژ بایاس خارجی ندارد.

برای کاربردهای پرسرعت مانند ارتباطات نوری، حالت رسانای نوری با TIA معمولا ترجیح داده می شود. اینکه آیا یک فتودیود PIN یا یک APD را انتخاب می کنید به حساسیت مورد نیاز بستگی دارد. اگر نیاز به تشخیص سیگنال های بسیار ضعیف دارید، یک APD با TIA راه حلی است.

نتیجه گیری

در نتیجه، چندین پیکربندی مدار معمولی برای فتودیودهای دیجیتال وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. ما به عنوان یک تامین کننده فتودیود دیجیتال، طیف گسترده ای از محصولات را ارائه می دهیمTO46 155M - 10G APD - TIAوTO46 155M - پین 10G - TIA، برای رفع نیازهای مختلف برنامه.

اگر در بازار فتودیودهای دیجیتالی هستید یا در مورد تنظیمات مدار سوالی دارید، دریغ نکنید که تماس بگیرید. ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم بهترین راه حل را برای پروژه خود پیدا کنید. بیایید در مورد نیازهای شما گپ بزنیم و ببینیم چگونه می توانیم با هم کار کنیم!

مراجع

• Sze, SM, & Ng, KK (2007). فیزیک دستگاه های نیمه هادی. وایلی.
• پالیک، ED (ویرایش). (1998). راهنمای ثابت های نوری جامدات. مطبوعات دانشگاهی.