Особенности проектирования фотодиодных усилителей для измерения силы света рассмотрены в настоящей публикации.
Фотодиодные измерители силы света широко применяются в абсорбционной и эмиссионной спектроскопии, измерителях цвета и четкости изображения, газовых детекторах и т.д. В таких устройствах применяются фотодиодные матрицы, что позволяет увеличить площадь контролируемого светового потока и повысить чувствительность измерителя. Как правило, фотодиодные матрицы содержат собственно фотодиоды и трансимпедансные усилители (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема трансимпедансного усилителя
Усилитель преобразует ток фотодиода в напряжение. Для обеспечения высокой точности измерения силы света шумы фотодиода и его темновой ток должны быть сведены к минимуму. В идеальном случае весь ток фотодиода должен проходить через резистор R, в цепи обратной связи усилителя. На практике любой усилитель имеет некоторое смещение нуля на входе, которое может привести к увеличению темнового тока. Отметим, что напряжение смещения нуля можно исключить путем калибровки при обработке результатов измерения. Кроме того, выбрав соответствующий усилитель, можно изначально обеспечить сверхнизкое напряжение смещение нуля. Так, например, компаниям Analog Devices выпускает усилители, в которых это смещение не превышает 10 мкВ.
На точность измерения силы света, кроме того, влияют входные токи утечки или смещения. В настоящее время не существует усилителей с нулевыми токами утечки, но выпускаются усилители с входными каскадами, выполненными по CMOS- или JFET-технологии. Так, например, ОУ типа AD8615 имеет ток смещения не более 1 пА при температуре 25º С, а максимальный входной ток смещения ОУ типа AD549 составляет всего 60 фА. К недостаткам таких усилителей следует отнести достаточно узкую полосу пропускания. Кроме того, полоса пропускания фотодиодного усилителя (рис. 1) зависит от паразитной емкости фотодиода. В некоторых случаях она может достигать нескольких тысяч пикофарад. Компенсация паразитной емкости фотодиода введением дополнительной емкости в цепь обратной связи, может привести не только к сужению полосы пропускания усилителя, но и к потере его устойчивости. Максимальная полоса пропускания ОУ с замкнутой цепью обратной связи, обеспечивающая его устойчивую работу, может быть рассчитана по формуле:
где fзф — полоса пропускания с запасом по фазе 45°; fu — частота единичного усиления ОУ; Rf — сопротивление резистора в цепи обратной связи; СIN — входная емкость, включающая паразитную емкость фотодиода и другие паразитные емкости; СM, СD — входные емкости при синфазном и дифференциального включении ОУ, соответственно.
При проектировании фотодиодных усилителей необходимо, чтобы разводка печатной платы не приводила к увеличению входной паразитной емкости усилителя. Пример разводки печатной платы для такого усилителя приведен на рис. 2.
Рис. 2. Стандартная разводка печатной платы фотодиодного усилителя
Шина питания +5 В находится максимально далеко от сигнальных цепей. Если сопротивление платы между шиной питания и цепью фотодиода составляет, например, 5 ГОм (на рис. 2 показано как эквивалентное сопротивление RL), это приведет к увеличению паразитного темнового тока на 1 нА. Для уменьшения величины тока утечки через печатную плату нужно увеличить сопротивление между точкой подключения фотодиода к инвертирующему входу ОУ и другими цепями схемы. Для этого можно создать экранирующий кон тур из общего проводника, как показано на рис. 3, или подключить вывод фотодиода непосредственно к выводу усилителя.
Рис. 3. Разводка печатной платы фотодиодного усилителя с применением защитной печатной дорожки
ВЫВОДЫ:
- Фотодиодные матрицы и фотодиоды широко применяются в различных оптических приборах и устройствах для измерения силы света.
- Для обеспечения высокой точности таких устройств необходимо использовать прецизионные ОУ с малыми входными токами и напряжением смещения.
- Особое внимание при проектировании фотодиодных усилителей необходимо уделить качеству разводки печатной платы.
