Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2018_268_34
Foto-tranzistorji in foto-diode, ki so zelo sorodne naprave, so električno-optični pretvorniki, ki pretvarjajo vpadno svetlobo v električni tok za namene uporabe, kot je zaznavanje položaja/prisotnosti, merjenje intenzivnosti svetlobe in zaznavanje zelo hitrih optičnih pulzov. Če želijo kar najbolje izkoristiti te naprave, morajo biti načrtovalci zelo pozorni na vezje vmesnika, valovno dolžino in optično-mehansko poravnavo.
Ustrezno vezje vmesnika je potrebno na primer, da se doseže največji tok pri različnih intenzivnostih in pogojih. Za učinkovito uporabo pa je potrebno tudi razumevanje načel delovanja ter razlik med Foto-tranzistorji in foto-diodami.
Ta članek govori o načelih delovanja teh naprav, nekaterih kritičnih parametrih, ki jih je treba upoštevati, in nekaterih finejših različicah uporabe naprav, skupaj z nekaj primeri rešitev.
Osnove ter atributi foto-diod in foto-tranzistorjev
Ko foto-diode absorbirajo svetlobo, proizvedejo električni tok. Na sliki 1 sta prikazani dve vrsti. Prva je bolj znana foto-voltaična dioda (solarna celica), ki začne proizvajati tok, ko nanjo posije svetloba. Druga je foto-prevodnik, ki je foto-dioda z napetostjo v zaporni smeri. Svetloba, ki posije na foto-diodo, povzroči zmanjševanje upora proti toku v zaporni smeri.
Ta tok je mogoče meriti in dobiti odčitek intenzivnosti vpadne svetlobe. Če pogledamo v drugi smeri: foto-dioda omejuje električni tok, pri čemer več svetlobe zmanjšuje omejitev. Skoraj v vseh primerih je treba foto-diodo uporabiti z ustreznim ojačevalnikom, kot je transimpedančni ojačevalnik (TIA), ki pretvarja električni tok v uporaben signal.
Foto-tranzistorji so nekoliko bolj zapleteni od foto-diod, saj so to tranzistorji z izpostavljenim priključkom baze. Fotoni, ki trčijo ob napravo, aktivirajo tranzistor, sicer pa je delovanje enako kot pri običajnem tranzistorju. (Ko so se polprevodniki šele začeli uporabljati, so bili nekateri tranzistorji in številne diode zapakirani v prosojna ohišja, kar je povzročalo napake v delovanju vezja odvisno od tega, koliko svetlobe je sijalo na vezje!) Enakovredna vezju foto-tranzistorja je foto-dioda, katere izhodni foto-električni tok teče v bazo malo-signalnega tranzistorja (slika 2).
Ker gre za napravo s tremi terminali, je mogoče foto-tranzistor povezati na več načinov, z običajnimi emitorskimi (CE) in običajnim kolektorskimi (CC) ojačevalniki, kar so najpogostejše konfiguracije (slika 3). Pri konfiguraciji CE svetloba povzroči spremembo izhoda iz visokega v nizko stanje; pri konfiguraciji CC pa je sprememba stanja ravno obratna.
Pri foto-tranzistorjih je treba upoštevati še eno pomembno zadevo, ki za foto-diode ne velja: uporabiti jih je mogoče v aktivnem načinu ali v načinu stikala. V aktivnem načinu je tranzistor analogni element z linearnim izhodom, ki je sorazmeren z intenzivnostjo svetlobe. V načinu stikala tranzistor deluje kot digitalni element, ki je v prekinjenem (izklopljenem) ali v nasičenem (vklopljenem) stanju.
Način delovanja določa vrednost obremenitvenega upornika RL, ki je na sliki 3 prikazan kot Rc ali Re. Do aktivnega načina pride, ko je VCC> RL × ICC, do načina stikala pa, ko je VCC< RL × ICC, kjer je IC največji pričakovani električni tok in VCC električna napetost, kot je prikazano. Če se foto-tranzistor uporablja za vrednotenje intenzivnosti svetlobe, se uporabi aktivni način. Če se uporablja za zaznavanje prisotnosti ali odsotnosti svetlobe, na primer, kdaj je kartica v reži, pa je uporabljen način stikala.
Čeprav so si foto-tranzistorji in foto-diode zelo podobni, pri njih prihaja do razlik v delovanju. Na splošno je mogoče foto-diode izdelati tako, da so precej hitrejše – za enega do dva razreda velikosti – in imajo tudi precej širši frekvenčni odziv kot foto-tranzistorji. Zaradi tega se uporabljajo za zaznavanje svetlobnih pulzov pri zelo hitrih povezavah prek optičnih vlaken. Vendar pa foto-diode potrebujejo zunanji ojačevalnik, medtem ko lahko foto-tranzistor že sam dovolj ojači električni tok za namen uporabe.
Dodatno velja, da se parametri delovanja foto-diod, vključno z občutljivostjo na svetlobo, izgubnim tokom in hitrostjo odziva, manj spreminjajo zaradi temperaturnih sprememb kot pri foto-tranzistorjih.
Težave pri oblikovanju
Foto-tranzistorji in foto-diode po svoji naravi delujejo tako, da jih stimulira svetloba. To seveda pomeni, da morajo biti naprave oblikovane tako, da zagotavljajo neovirano optično pot svetlobe, ki lahko dosledno dosega foto-naprave, pri čemer mora biti zagotovljena pot od vira do površine zaznavanja, ki se mora ohraniti med običajno uporabo izdelka in v celotni življenjski dobi.
Mehanske zadeve, povezane z umestitvijo foto-tranzistorja ali foto-diode narekujejo uporaba, načini uporabe, uporabniška interakcija in številni drugi dejavniki, o katerih je treba skrbno razmisliti pri oblikovanju izdelka. Doslednost te optične poti je kritičnega pomena. Upoštevati je treba tudi najmanjše variacije zaradi proizvodnih toleranc, upogibanja plošče, prahu in druge pričakovane in/ali v določeni meri neobičajne uporabe.
Sprejemni kot optične pol-moči pri običajnih foto-diodah in foto-tranzistorjih znaša med ±10° in ±30°, odvisno od velikosti matrike, razporeditve leč in prostora. Glede na način uporabe je lahko zaželen širši ali ožji sprejemni kot.
Včasih je težava obratna; foto-občutljive komponente lahko zaznavajo neželeno svetlobo iz okoliškega vira. V teh primerih bo morda treba dodati zunanje optične ščite, notranje blokade svetlobe, pasovnoprepustne filtre optične valovne dolžine ali tipalo še dodatno umakniti, ne da bi to oviralo izhodno oddajanje emitorja na poti do tipala. Pri tem je pogosto treba najti kompromis ali ravnotežje med cilji v sporu, pri čemer je treba uporabiti kombinacijo elektronskih, optičnih in mehanskih rešitev.
Parametri delovanja vplivajo na kompromise pri električno-optičnih vidikih in oblikovanju
Te naprave imajo dolg seznam električnih specifikacij, hkrati pa tudi pomislekov, ki jih je treba upoštevati zaradi mešanega elektro-optičnega načina. Ti med drugim zajemajo spektralni odziv, občutljivost in ojačanje, linearnost, temni tok, hitrost odziva in šum.
Spektralni odziv: spektralni odziv je primarno funkcija osnovnega materiala naprave in dopiranja. Temenska občutljivost naprav na osnovi silicija je s približno 840 nanometri (nm) v pasu, ki je že blizu infrardečemu (IR) razponu, vendar pa so na voljo tudi naprave, optimizirane za druge valovne dolžine.
Spektralne občutljivosti foto-tranzistorjev in foto-diod so podobne, saj so njihova temeljna načela polprevodniške fizike enaka. Vendar pa se temenski odziv foto-tranzistorja zgodi pri nekoliko krajši valovni dolžini kot pri običajni foto-diodi, saj so razpršeni spoji foto-tranzistorja oblikovani epitaksijsko in ne kot kristalne silicijeve rezine.
To pomeni, da mora vir svetlobe, ki ga »vidijo«, pa naj bo iz LED luči, sončne svetlobe ali okoliške svetlobe iz drugega vira, zagotoviti izhod v ustreznem pasu občutljivosti, da lahko foto-naprava pravilno deluje. Na srečo je izhodni spekter standardnih LED luči znotraj razpona občutljivosti foto-tipal na osnovi silicija.
Občutljivost in ojačenje: ta dva parametra določata, kako učinkovita je naprava pri pretvarjanju fotonov v električni tok. To, kar včasih označujemo kot kvantno učinkovitost, prikazuje razmerje med vpadno fotonsko energijo in električnim tokom. Foto-diode proizvajajo le zelo šibek električni tok, ki znaša od nekaj nanoamperov (nA) do nekaj mikroamperov (µA). Pri foto-tranzistorjih je električni tok precej večji, in sicer zaradi njihovega inherentnega ojačenja, ki je podobno kot pri običajnih malo-signalnih tranzistorjih, vendar se spreminja z bazno energijo, usmerjeno napetostjo in temperaturo.
Linearnost: izhod foto-diode je linearen v širokem razponu, običajno v sedmih do devetih dekadah intenzivnosti svetlobe. Za razliko je kolektorski tok (IC) foto-tranzistorja linearen samo v treh do štirih dekadah, saj je ojačenje enosmernega toka (hFE) foto-tranzistorja funkcija kolektorskega toka, ki ga, nasprotno, določa bazna energija. Nekateri načini uporabe foto-tranzistorja, kot so instrumenti za preskušanje in merjenje, zahtevajo linearnost, medtem ko drugi načini uporabe, kot je osnovno zaznavanje prisotnosti/odsotnosti, niso odvisni od tega.
Razlika je potem povezana s tem, katere komponente bi bile primerne za načrt; manjše zahteve za linearnost pomenijo več možnosti in nižje stroške.
Temni tok: pri foto-diodah je to tok, ki lahko teče skozi napravo tudi v popolni temi; to je hkrati tudi funkcija notranjega šuma. Pri foto-tranzistorjih je temni tok izgubni tok spoja kolektorja in baze, pomnožen z ojačenjem enosmernega toka tranzistorja. Ta foto-tranzistorju preprečuje, da bi bil popolnoma izklopljen kot idealno stikalo.
Hitrost odziva: foto-diode so hitrejše kot foto-tranzistorji, pri katerih je hitrost funkcija kapacitivnosti spoja kolektorja in baze tranzistorja ter vrednosti odpornosti na obremenitev. Po drugi strani pa foto-dioda potrebuje zunanji ojačevalnik, da je uporabna, kar vpliva na njeno splošno hitrost odziva. Hitrost dviga in padca (z 10 na 90 % oziroma z 90 na 10 %) je običajno simetrična, razen če je foto-tranzistor dosegel nasičenost, kar zmanjša hitrost padca. Komercialno so na voljo foto-diode z odzivi v nanosekundi ali celo femtosekundi.
Šum: nobena razprava o elektronski komponenti ne bi bila celovita brez omembe neizogibne težave s šumom. Pri foto-diodah in foto-tranzistorjih se pojavlja več oblik šuma, vključno s zrnatim šumom, šumom temnega toka, termičnim šumom, šumom zaradi generacije in rekombinacije ter šumom odčitka. Različne vrste šumov nastajajo zaradi različnih osnovnih dejavnikov fizike, različnih formulacij naprav in pogojev delovanja (napetosti, temperature, obremenitve), ki povzročajo različne korekcijske koeficiente teh virov šuma. Pri večini vrst uporabe za masovni potrošniški trg šum ni velika težava. Pri instrumentih in ultra hitrih podatkovnih povezavah pa je to pogosto velika težava, še posebej pri zelo nizkih ravneh svetlobe.
V povezavi s temi parametri zmogljivosti morajo načrtovalci razjasniti dve zadevi. Kot prvo – pri pregledovanju in primerjavi naprav različnih dobaviteljev – kakšni so testni pogoji? Zmogljivost se zelo razlikuje glede na različne optične ureditve, napetosti, odpornost proti obremenitvi in druge dejavnike, zato je pomembno, da se uporabi primerljive pogoje. Izbrati je treba komponento, ki se bo uporabljala v takšnih pogojih, kot so navedeni na podatkovnem listu. Če to ni mogoče, bodo potrebni dodatni preskusi ali interpolacije.
Kot drugo je treba razjasniti, katere specifikacije so pomembne za dani način uporabe in v kolikšni meri. Primer: pri fotodiodi za komunikacijsko povezavo iz optičnih vlaken je pomembna hitrost, medtem ko je njen spektralni odziv manj kritičen, saj je spekter izvorne LED znan in je mogoče pri načrtovanju zanj izbrati ujemajoče se tipalo z ustrezno splošno občutljivostjo.
Po drugi strani foto-tranzistor, ki se uporablja za zaznavanje prisotnosti kreditne kartice v reži, ne zahteva velike hitrosti, bo pa morda za zanesljivo delovanje v dejanskih scenarijih uporabe potreboval nizek temni tok in konsistentno ojačenje.
Splošna smernica pravi, da zmogljivost foto-diod v veliki meri določajo njihov material, dopiranje in ohišje, pa tudi velikost matrice foto-občutljivega materiala. Pri foto-tranzistorjih je to v veliki meri funkcija teh istih dejavnikov, pa tudi dodatnega dejavnika ojačanja tranzistorja (tabela 1).
Komponente, ki omogočajo optično-električni prehod
Reprezentativna silicijeva foto-dioda je EverlightPD15-21B/TR8<style1/>, s pasovno širino infrardečega spektralnega odziva od 730 do 1100 nm s temenom pri 940 nm (slika 4). Namestitvena naprava s črno plastično površino cilja na osnovne potrošniške izdelke, kot so kopirni stroji, igralni aparati in bralniki kartic. Največji izhodni tok za to napravo, veliko 1,5 × 3,2 × 1,1 mm, znaša 0,8 µA ob uporabi vira vpadne IR svetlobe z 875 nm in pri moči 1 mW/cm2. Ima odzivni čas 6 nanosekund (ns) in največji temni tok 10 nA. Ta foto-dioda, v SMD ohišju ponuja številne možnosti namestitve v primerjavi s svinčenimi napravami, vendar se ne sme preseči profila ponovnega razporejanja temperature, določenega na podatkovnem listu, tudi če je ta profil »blag« v primerjavi s tem, kar lahko prenesejo druge komponente na plošči.<style1/>
Foto-diode ne morejo samostojno zagotoviti toka, ki je potreben v večini primerov, niti zagotoviti nobene večje obremenitve. Zato se skoraj vedno uporabljajo s transimpedančnim ojačevalnikom, ki pretvori njihov visokoimpedančni izhod na nizki ravni v uporabno napetost. TIA v foto-diodo predhodno pošilja nizko vhodno impedanco in prevaja malotokovne različice na vhodu v različice veliko večje napetosti na izhodu.
Previdnost pri načrtovanju: čeprav se zdi, da gre za isto topologijo kot pri uporabi znanega upora za zaznavanje toka, ki pretvarja obremenitveni tok v napetost z namenom merjenja toka, temu ni tako. Pri tej ureditvi je prisotna velika energija iz nizkoimpedančnega vira, kar so zelo drugačne okoliščine.
Primer: naprava Analog DevicesLTC6268 je enokanalni operacijski ojačevalnik s FET vhodom in z zelo nizkim vhodnim mirovni tokom in nizko vhodno kapacitivnostjo, ki cilja na uporabo v instrumentih (slika 5).
Njegov zelo nizek mirovni tok, ki pri sobni temperaturi znaša 3 femtoampere (fA) (običajno), pri 125 °C pa 4 pikoampere (pA) (največ), je potreben za zagotavljanje, da TIA ne »obremeni« vhoda foto-diode, in preusmerjanje njegovega zelo majhnega toka. Njegov šum toka, ki vpliva na natančnost na spodnji meji, znaša samo 5,5 fA/√Hz, do 100 kHz.Dinamične specifikacije zajemajo produkt ojačenja in pasovne širine, ki znaša 500 MHz, in pasovno širino -3 dB pri skupnem povečanju 350 MHz. Njegovo RC ojačenje, ki nastavlja povratno omrežje, za stabilnost potrebuje določeno mero kapacitivnosti in oblikovanja zank poleg diskretnega upora, v večini primerov pa zadošča parazitska kapacitivnosti PC-plošče, kar prihrani prostor in odstrani eno komponento iz BOM-a.
Druge naprave TIA so optimizirane za optične podatkovne povezave namesto za instrumente. Maxim IntegratedMAX3658 je transimpedančni ojačevalnik za optične sprejemnike, ki deluje s hitrostjo do 622 Mbit/s, njegove lastnosti pa so prilagojene za sprejemnike-oddajnike z vlakni in majhnim oblikovnim faktorjem (slika 6). Za razliko od naprave TIA za instrumente je ta naprava zasnovana za krmiljenje diferencialnih 75 Ohm koaksialnih vodov, za ohranjanje celovitosti signala, zmanjšanje intersimbolne interference in zmanjšanje deleža napačnih bitov (BER).
Tako kot pri drugih operacijskih ojačevalnikih, pa naj gre za običajne tipe ali za ojačevalnike TIA, podatkovni list naprave MAX3658 zajema številne grafikone zmogljivosti, ki prikazujejo različne perspektive toka, napetosti, hitrosti, temperature in drugo. Ker je ta naprava TIA zasnovana za optične povezave s hitrostjo 622 Mb/s in ustreza standardom uporabe v panogi, podatkovni list zajema tudi diagrame kritičnih zank, ki prikazujejo zmogljivost v različnih pogojih delovanja (slika 7).
Za načine uporabe, pri katerih je potreben foto-tranzistor z inherentnim ojačanjem, je možna izbira silicijev NPN tranzistor KingbrightAPTD3216P3C-P22 (slika 8). Tako kot prejšnja foto-dioda, tudi ta meri 3,2 × 1,6 mm. Ker je zaslonka za zajemanje svetlobe dejavnik, ki kritično vpliva na zmogljivost naprave, pri komponentah za zajemanje fotonov manjše ne pomeni nujno boljše.
Tudi ta je povezan z virom LED, ki oddaja infrardečo svetlobo ujemajočega se spektra, njegova kotna občutljivost pa je ±15° (slika 9).
Ker je to tudi tranzistor, na številne njegove tehnične podatke o zmogljivosti vpliva temperatura. Primer: temni tok, ki pri 25 °C znaša 1 nA, se pri približno 70 °C poveča na 100 nA (slika 10). To težnjo je treba upoštevati pri analizi načrta izdelka.
Zaključek
Optične komponente, kot so foto-diode in foto-tranzistorji, se uporabljajo za zaznavanje prisotnosti in za zelo zmogljive instrumente, ključne pa so tudi za optične podatkovne povezave. Zaradi hibridne električno-optične narave za učinkovitost in doseganje celotnega potenciala običajno zahtevajo skrben razmislek glede zadev, povezanih z električnim, optičnim in mehanskim oblikovanjem, pa tudi o specializiranih komponentah elektronskega vmesnika.
Načrtovalec, ki razume te oblikovne pomisleke, lahko izbira med številnimi primernimi napravami, ki jih je mogoče uporabiti kot rešitve za zaznavanje, v instrumentih in optičnih povezavah.
