Введение в фототранзисторы
В данной серии статей мы рассмотрим альтернативы фотодиодам, обеспечивающие более высокий выходной ток.
По моему опыту, в приложениях для детектирования и измерения освещенности чаще всего используются фотодиоды. Но нельзя обойти стороной тот факт, что фотодиоды создают очень малые выходные токи, и это может привести к проблемам при проектировании, которых вы, возможно, в определенных ситуациях предпочтете избежать.
В этой и следующей статье представлена основная информация о двух типах светочувствительных устройств, которые создают более высокий выходной ток, чем фотодиоды: фототранзисторы и светочувствительные микросхемы. Последний термин относится к устройствам, которые, по сути, представляют собой фотодиод и усилитель, интегрированные в один корпус.
Что такое фототранзистор?
Фотодиод может генерировать фототок, потому что на его переход падает свет. Фототранзистор работает аналогичным образом, за исключением того, что открытый полупроводниковый материал является базой биполярного транзистора.
Есть два пути для размышления о работе фототранзистора.
Во-первых, вы можете мысленно заменить величину тока, протекающего через базу обычного транзистора, на интенсивность падающего света. В базовой модели поведения биполярного транзистора в активном режиме выходной ток (т.е. ток коллектора) – это входной ток (т.е. ток базы), умноженный на параметр усиления, называемый бета (β). В случае фототранзистора падающий свет похож на слабый сигнал, подаваемый на базу, а выходной ток намного выше, чем мы ожидаем от фотодиода, из-за способности транзистора усиливать сигнал, подаваемый на базу.
Во-вторых, вы можете представить, что фототранзистор представляет собой биполярный транзистор с фотодиодом, подключенным к базе, и поэтому входным сигналом транзистора является фототок, генерируемый фотодиодом. В этой концепции биполярный транзистор подобен дополнительному полупроводниковому устройству, которое применяет усиление по току к выходному сигналу фотодиода.
Фототранзисторные схемы
Как и в случае с фотодиодами, целью фототранзисторов является создание пригодного для использования выходного напряжения из генерируемого светом тока. Поскольку усиление уже встроено в полупроводниковую структуру фототранзисторов, нам не нужен трансимпедансный усилитель на базе ОУ. Вместо этого мы можем использовать схемы усилителей, которые мы уже знаем по несветочувствительным приложениям на биполярных транзисторах.
Схемы с общим коллектором и общим эмиттером являются жизнеспособными вариантами преобразования света в напряжение. Я предпочитаю подход с общим эмиттером, потому что считаю его более интуитивно понятным. Но вам может понравиться усилитель с общим коллектором, если вы предпочитаете избегать инверсии, то есть если вы хотите, чтобы более высокая освещенность создавала более высокое выходное напряжение.
Фототранзисторы против фотодиодов
Фототранзисторы могут показаться большим улучшением по сравнению с фотодиодами, но они не так популярны, как вы думаете. Теоретически внутреннее усиление по току является важным преимуществом, но есть много ресурсов, которые могут помочь инженерам разработать высокопроизводительные трансимпедансные усилители, и я, например, предпочитаю подход с трансимпедансным усилителем.
Более того, фототранзисторы уступают по важным параметрам.
- Фототранзисторы обладают меньшей способностью поддерживать линейную зависимость между освещенностью и выходным током. Это не важно, если всё, что вам нужно, – это датчик света «включен/выключен», вырабатывающий цифровое выходное напряжение. Мои фоточувствительные приложения, как правило, требуют аналоговых выходных сигналов, и я инстинктивно пренебрегаю фототранзисторами из-за их ограниченной линейности.
- Фотодиоды обеспечивают более быстрый отклик, чем фототранзисторы. Важность широкой полосы пропускания зависит от требований приложения, и во многих случаях фототранзистор будет вполне адекватным выбором. В то же время вы не захотите спроектировать свою систему на основе фототранзистора, а затем быть вынужденным пересмотреть конструкцию через год, когда кто-то захочет на порядок увеличить максимальную рабочую частоту.
- Важные рабочие характеристики фототранзисторов более чувствительны к температуре, чем фотодиодов. Это не проблема, если ваше устройство всегда будет работать при комнатной температуре. Если вы работаете с автомобильными или военными системами, колебания характеристик фототранзистора, вызванные температурой, могут вызывать головную боль.
Заключение
Фототранзисторы обеспечивают более высокий выходной ток, генерируемый светом, но накладывают некоторые ограничения на производительность. Я предпочитаю фотодиоды; но, тем не менее, должно быть довольно много приложений, в которых имеет смысл использовать фототранзистор, что дает возможность исключить стоимость и сложность трансимпедансного усилителя.