Khi nào có thể sử dụng photodiode như diode thường năm 2024

Đầu ra cơ bản của đi-ốt quang là dòng điện chạy qua thiết bị từ cực âm đến cực dương, gần như tỷ lệ tuyến tính với độ sáng. (Tuy nhiên, hãy nhớ rằng cường độ của dòng quang điện cũng bị ảnh hưởng bởi bước sóng của ánh sáng tới - sẽ nói thêm về vấn đề này trong bài viết tiếp theo.) Dòng quang điện được chuyển đổi thành điện áp để xử lý tín hiệu tiếp theo thông qua một điện trở nối tiếp hoặc dòng điện - khuếch đại điện áp.

Các chi tiết về mối quan hệ quang điện của một điốt quang sẽ thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện phân cực của điốt. Đây là bản chất của sự khác biệt giữa các chế độ quang điện và quang dẫn: trong triển khai quang điện, mạch xung quanh điốt quang giữ cho cực dương và cực âm có cùng điện thế; nói cách khác, diode không phân cực. Trong triển khai quang dẫn, mạch xung quanh đi-ốt quang áp dụng độ lệch ngược, nghĩa là cực âm có điện thế cao hơn cực dương.

hiện tại tối

Điều kiện không lý tưởng chính ảnh hưởng đến hệ thống đi-ốt quang được gọi là dòng điện tối vì dòng điện chạy qua đi-ốt quang ngay cả khi nó không được chiếu sáng. Tổng dòng điện chạy qua diode là tổng của dòng điện tối và dòng quang. Nếu các cường độ này tạo ra dòng quang điện có cường độ tương tự như dòng điện tối, thì dòng điện tối sẽ hạn chế khả năng đo chính xác cường độ ánh sáng yếu của hệ thống.

Các tác động bất lợi của dòng điện tối có thể được giảm thiểu bằng kỹ thuật trừ dòng điện tối dự kiến ​​khỏi dòng đi-ốt. Tuy nhiên, dòng điện tối đi kèm với tiếng ồn tối, một dạng tiếng ồn bắn được quan sát là sự thay đổi ngẫu nhiên về cường độ của dòng điện tối. Hệ thống không thể đo cường độ ánh sáng có dòng quang liên kết quá nhỏ đến mức chúng bị mất trong tiếng ồn tối.

Chế độ quang điện trong mạch Photodiode

Hình dưới đây là một ví dụ về việc thực hiện quang điện.

Mạch khuếch đại hoạt động này được gọi là bộ khuếch đại xuyên trở (TIA). Nó được sử dụng đặc biệt để chuyển đổi tín hiệu hiện tại thành tín hiệu điện áp và tỷ lệ điện áp hiện tại được xác định bởi giá trị của điện trở phản hồi RF. Đầu vào không đảo ngược của op amp được nối đất và nếu chúng ta áp dụng giả định ngắn mạch ảo, chúng ta biết rằng đầu vào đảo ngược sẽ luôn ở mức xấp xỉ 0 V. Do đó, cả cực âm và cực dương của điốt quang được giữ ở 0 V.

Tôi không tin "quang điện" là một tên hoàn toàn chính xác cho việc triển khai dựa trên op amp này. Tôi không nghĩ rằng đi-ốt quang hoạt động giống như pin mặt trời tạo ra điện áp thông qua hiệu ứng quang điện. Nhưng "quang điện" là thuật ngữ được chấp nhận, cho dù tôi có thích hay không. Tôi nghĩ "Chế độ không phân cực" tốt hơn, bởi vì chúng ta có thể sử dụng cùng một TIA và điốt quang ở chế độ quang điện hoặc quang dẫn, do đó, không có điện áp phân cực ngược nào là yếu tố khác biệt đáng kể.

Khi nào nên sử dụng Chế độ quang điện

Ưu điểm của chế độ quang điện là giảm dòng tối. Trong điốt bình thường, áp dụng điện áp phân cực ngược làm tăng dòng điện ngược vì phân cực ngược làm giảm dòng khuếch tán nhưng không làm giảm dòng trôi và cũng do rò rỉ.

Điều tương tự cũng xảy ra trong một điốt quang, nhưng dòng điện ngược lại được gọi là dòng điện tối. Điện áp phân cực ngược cao hơn dẫn đến dòng điện tối hơn, do đó, bằng cách sử dụng op-amp để giữ cho điốt quang phân cực ở khoảng 0, chúng tôi hầu như loại bỏ được dòng điện tối. Do đó, chế độ quang điện phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất ánh sáng yếu được tối ưu hóa.

Chế độ quang dẫn trong mạch Photodiode

Để chuyển mạch dò trên sang chế độ quang dẫn, chúng tôi kết nối cực dương của điốt quang với nguồn điện áp âm thay vì nối đất. Cực âm vẫn ở {{0}} V, nhưng điện áp cực dương dưới 0 V; do đó, điốt quang bị phân cực ngược.

Khi nào nên sử dụng Chế độ quang dẫn

Áp dụng điện áp phân cực ngược cho điểm nối pn làm cho vùng cạn kiệt mở rộng. Điều này có hai tác dụng có lợi trong ngữ cảnh của các ứng dụng photodiode. Đầu tiên, vùng suy giảm rộng hơn làm cho đi-ốt quang nhạy hơn, như đã đề cập trong bài viết trước. Do đó, chế độ quang dẫn là một lựa chọn tốt khi bạn muốn tạo thêm tín hiệu đầu ra liên quan đến độ sáng.

Thứ hai, vùng cạn kiệt rộng hơn làm giảm điện dung tiếp giáp của điốt quang. Trong mạch hiển thị ở trên, sự hiện diện của điện trở phản hồi và điện dung đường giao nhau (trong số các nguồn điện dung khác) giới hạn băng thông vòng kín của hệ thống. Như với bộ lọc thông thấp RC cơ bản, việc giảm điện dung sẽ làm tăng tần số cắt. Do đó, chế độ quang dẫn cho phép băng thông rộng hơn và thích hợp hơn khi bạn cần khả năng của máy dò phản ứng với những thay đổi nhanh chóng về độ sáng.

Phân cực ngược cũng mở rộng phạm vi hoạt động tuyến tính của đi-ốt quang. Nếu bạn lo lắng về việc duy trì phép đo ở độ sáng cao, bạn có thể sử dụng chế độ quang dẫn, sau đó chọn điện áp phân cực ngược dựa trên yêu cầu hệ thống của bạn. Nhưng hãy nhớ rằng phân cực ngược nhiều hơn cũng làm tăng dòng điện tối.

Hamamatsu là nhà sản xuất bộ tách sóng quang. Biểu đồ này, được lấy từ sổ tay đi-ốt quang silicon của họ, cho bạn ý tưởng về mức độ vùng đáp ứng tuyến tính của đi-ốt quang có thể được mở rộng bằng cách tăng điện áp phân cực ngược.